science-review.ru
Среди актуальных проблем, которые стоят перед учеными-почвоведами, важное место занимают улучшение мелиоративного состояния и повышение плодородия почв при возрастающем антропогенном воздействии.
В Стратегии действия по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан на 2017–2021 гг. предусмотрены следующие задачи: модернизация и интенсивное развитие сельского хозяйства, углубление структурных реформ и динамичное развитие сельскохозяйственного производства, дальнейшее укрепление продовольственной безопасности страны, прежде всего дальнейшее улучшение мелиоративного состояния орошаемых земель, принятие системных мер по смягчению негативного воздействия глобального изменения климата на развитие сельского хозяйства и жизнедеятельности населения и др. [1].
По прогнозам установлено, что в условиях изменения климата процессы деградации усилятся больше, и особенно в опасных размерах эти процессы проявляются в пустынных территориях аридных зон, наиболее подверженных опустыниванию и засолению почв [2].
К таким регионам более подходит территория Приаралья, которая в природно-климатическом отношении существенно отличается от других зон по климатическим условиям пояса. Территория Приаралья давно известна в литературе как область широкого распространения засоленных почв разных степеней и значительного развития солончаков. К настоящему времени накоплено большое количество данных о природном и антропогенном засолении почв пустынного региона [3, 4].
Н.В. Кимберг [5], характеризуя особенности климатических условий пустынной зоны Узбекистана, отмечает, что изменение климата и растительности данного региона приводит к уменьшению общей оглиненности и биологического потенциала почв, снижению биологической и зоологической активности и, напротив, усилению засоленности и гипсированности почв. Проявлением этой особенности является резко выраженный пустынно-континентальный климат, что во многом способствует испарению почвенной влаги в течение всего года, что приводит к накоплению солей в корне-
обитаемом слое почв.
Как правило, необдуманное воздействие человека к почве приводит к потере наиболее ценных показателей почвенного плодородия. В таких условиях для успешного решения этой проблемы необходимо оптимальное сочетание многообразия факторов, своевременная и достоверная оценка пространственно-временных параметров природно-антропогенных условий и процессов.
В этом отношении ферментативная активность, являясь важным показателем и чувствительным индикатором биологического состояния почвы и ее производительной способности отражает направление и интенсивность протекания биохимических процессов, что может служить дополнительным диагностическим показателем уровня плодородия почвы [6–10].
В соответствии с концептуальной моделью формирования ферментативной активности почвы, разработанной Хазиевым [11], процессы поступления ферментов в почву обуславливаются экологическими факторами: основными свойствами почвы, гидротермическими режимами, природно-климатическими условиями региона, антропогенными воздействиями и др.
Всё это свидетельствует о необходимости рассмотрения взаимосвязей между этими факторами и ферментным уровнем почвы, которые позволяют более корректно использовать ферментативную активность в целях диагностики состояния природных и антропогенно-нарушенных экосистем, в том числе почвы [12, 13].
Цель исследования: изучение характерных особенностей изменения диагностических показателей орошаемых почв Южного Приаралья под влиянием почвенно-экологических факторов.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования являлись орошаемые лугово-аллювиальные почвы, распространенные в Амударьинском и Чимбайском районах Республики Каракалпакстан.
Полевые и лабораторные исследования проводились по общепринятым стандартным методам. Активность почвенных ферментов определялась по «Методам почвенной энзимологии», описанным Ф.Х. Хазиевым, 1990. Корреляционные связи между агрохимическими и агрофизическими свойствами и ферментативной активностью почвы определены с помощью программы Statgraphics Centure XVII.
Результаты исследования и их обсуждение
В период исследований нами были изучены активность оксидоредуктазных (каталаза, пероксидаза, полифенолоксидаза) и гидролитических (фосфатаза, уреаза, инвертаза) ферментов, которые являются наиболее значимыми в почвенной биодинамике.
Как правило, на засоленных почвах биохимические процессы протекают менее интенсивно, чем на незасоленных почвах. Поскольку крайне неблагоприятные климатические условия исследуемой территории: высокие летние температуры, низкая относительная влажность воздуха, высокая испаряемость влаги из почвы, низкое содержание органических веществ и процессы засоления – являются причиной слабой биологической активности этих почв [14, 15].
В исследуемых почвах наблюдается пестрота засоления как по профилю почвогрунтов, проявляясь чередованием незасоленными, слабозасоленными, среднезасоленными, сильнозасоленными горизонтами, так и по почвенным разностям.
Как показывают данные, исследованные почвы в результате малого содержания органического вещества, подверженности к засолению и скудности растений имеют сравнительно низкую ферментативную активность.
По активности оксидоредуктазных ферментов наиболее высокой активностью преобладали незасоленные и слабозасоленные орошаемые лугово-аллювиальные почвы, где содержание сухого остатка составляет 0,130–0,270 % – величина каталазы, соответственно равна – весной 2,9–4,3 см3, летом – 1,8–3,3 см3, и осенью – 2,1–3,7 см3 О2 на 1 г почвы за 1 мин, пероксидазы и полифенолоксидазы 3,14–4,16 и 3,23–4,52 мг весной, 2,67–3,75 и 2,4–4,02 мг летом, и осенью – 2,80–3,86 и 3,0–4,15 мг пурпургалина/100г почвы. Несколько уступают им среднезасоленные почвы, где содержание сухого остатка колеблется от 0,320 до 0,850 %, здесь активность каталазы составляла – 2,2–2,5 см3 О2 в весенний, 1,3–1,7 см3 – летний и 1,5–1,9 см3 О2 осенний период, активность пероксидазы и полифенолоксидазы равна была весной 2,70–2,86 и 2,73–2,89, летом 2,32–2,58 и 2,30–2,54 и осенью 2,48–2,67 и 2,52–2,70 мг пурпургалина. Слабая оксидоредуктазная активность выявлена в сильно и очень сильнозасоленных почвах, где содержание сухого остатка достигает до 1,535–2,400 %, здесь активность каталазы составляла весной 1,2–2,0, летом 0,6–1,2 и осенью 0,9–1,5 см3 О2. Активность пероксидазы и полифенолоксидазы у них была равна весной – 2,10–2,67 и 2,12–2,70, летом 1,68–2,27 и 1,75–2,25 и осенью 1,86–2,38 и 1,87–2,41 мг пурпургалина. Пониженная активность ферментов связана с малым содержанием гумуса, высоким содержанием легкорастворимых солей. Динамичность активности оксидаз в течение года объясняется неодинаковыми температурными условиями, разной степенью увлажненности, наличием растительного покрова и другими факторами.
По активности гидролитических ферментов выявлена такая же картина, как и у оксидоредуктазных. Это говорит о том, что активность оксидаз и гидролаз непосредственно пропорциональна генетическим особенностям, физико-химическим свойствам почвы и гидротермическому режиму исследуемого региона.
Границы колебания активности гидролитических ферментов представлены следующим образом: в орошаемых почвах активность инвертазы колеблется – от 1,50 мг до 4,15 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 часа, уреазы – 1,10–2,76 мг NH3/10 г почвы за 24 часа, фосфатазы – 0,58–2,38 мг P2O5/10 г почвы за 24 часа, в солончаках (залежь) активность инвертазы составляет от 1,25 – 1,42 мг глюкозы, уреазы – 0,52–0,82 мг NH3, фосфатазы – 0,50–0,55 мг P2O5. Высокие показатели их соответствовали незасоленным и слабозасоленным почвам, где активность инвертазы весной была равна 2,48–4,15 мг, летом – 1,42–3,65 мг, и осенью – 1,60–3,83 мг глюкозы. Здесь величина уреазной активности весной составляла 1,50–2,76 мг, 0,78–2,24 мг летом, осенью – 1,01–2,48 мг NH3. Активность фосфатазы была равна весной 0,85–2,38 мг, 0,48–2,01 мг летом, осенью – 0,63–2,23 мг P2O5. Затем следовали среднезасоленные почвы, где активность инвертазы составляла 2,30–2,47 мг глюкозы, уреазы – 1,30–1,47 мг NH3 и фосфатазы – 0,70–0,83 мг P2O5. Очень слабая активность их выявлена в сильно и очень сильнозасоленных почвах, здесь инвертаза была равна 1,46–2,26 мг глюкозы, уреаза – 1,06–1,26 мг NH3, и фосфатаза – 0,57–0,70 мг P2O5.
В целом результаты показывают, что с усилением степени засоления понижается содержание органического вещества и питательных элементов, что, соответственно, приводит к снижению активности ферментов до минимальных величин (рис. 1).
Полученные данные свидетельствуют о том, что активность ферментов сравнительна высока в незасоленных и слабозасоленных орошаемых почвах, с усилением степени засоления активность их снижается. Таким образом, активность ферментов зависит от биогенности генетического горизонта, содержания гумуса и элементов питания, гидротермического режима, механического состава и др.
Результаты изучения фенолоксидаз показали, что активность их тесно коррелирует с содержанием гумуса и в этом отношении установлена тесная связь между динамикой содержания органического вещества и активностью пероксидазы и полифенолоксидазы в почве. По соотношению их подсчитан условный коэффициент гумификации. В целом среднее значение условного коэффициента гумификации в исследуемых почвах находится в пределах 0,9–1,1.
Согласно шкале «Сравнительной оценки биологической активности почвы», разработанной Гапонюк, Малаховым (1985) по сравнительной оценке незасоленные и слабозасоленные староорошаемые и новоорошаемые лугово-аллювиальные почвы по каталазной и фосфатазной активности относятся к группе со «средней активностью», средне и сильнозасоленные новоорошаемые лугово-аллювиальные почвы со «слабой активностью», новоорошаемые очень сильнозасоленные почвы и солончаки с «очень слабой активностью». По инвертазной и уреазной активности почти все почвенные разности относятся к группе почв с «очень слабой активностью».
Рис. 1. Динамика ферментативной активности под влиянием различных уровней засоления в орошаемых лугово-аллювиальных почвах Каракалпакии
Профильное распределение ферментов в орошаемых засоленных почвах Каракалпакии
|
Глубина горизонта, см |
Каталаза, см3 О2 на 1 г почвы за 1 мин |
Пероксидаза |
Полифенолоксидаза |
Инвертаза, мг глюкозы |
Уреаза, мг NH3 на 10 г почвы за 24 ч |
Фосфатаза, мг P2O5 на 10 г почвы |
|
мг пурпургалина |
||||||
|
Староорошаемая лугово-аллювиальная почва, слабозасоленная, тяжелосуглинистая |
||||||
|
0–30 |
3,6 |
3,73 |
3,86 |
3,75 |
2,40 |
1,85 |
|
30–50 |
2,5 |
2,62 |
2,81 |
2,34 |
1,53 |
1,46 |
|
50–70 |
1,8 |
1,89 |
1,85 |
1,70 |
0,81 |
1,24 |
|
Новоорошаемая лугово-аллювиальная почва, среднезасоленная, среднесуглинистая |
||||||
|
0–30 |
2,5 |
2,82 |
2,85 |
2,43 |
1,42 |
0,80 |
|
30–50 |
1,8 |
1,90 |
1,93 |
1,36 |
0,85 |
0,61 |
|
50–70 |
1,2 |
1,23 |
1,26 |
0,51 |
0,43 |
0,36 |
|
Новоорошаемая лугово-аллювиальная почва, сильнозасоленная, среднесуглинистая |
||||||
|
0–30 |
1,7 |
2,55 |
2,61 |
2,20 |
1,24 |
0,68 |
|
30–50 |
1,2 |
1,60 |
1,64 |
1,31 |
0,72 |
0,52 |
|
50–70 |
0,6 |
0,80 |
0,83 |
0,38 |
0,40 |
0,28 |
В результате засоления создаются неблагоприятные условия для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, что в конечном итоге негативно влияет и на активность ферментов. Но несмотря на высокое содержание солей и весьма неблагоприятные условия в засоленных почвах, действие ферментов полностью не подавлено, что объяснятся более устойчивостью их к внешним факторам. Профильное распределение активности всех изученных ферментов имело одинаковую закономерность (за исключением староорошаемых почв), максимальная активность их была в верхних горизонтах, для которых характерна наибольшая биогенность, максимальная обогащенность органическим веществом и наиболее благоприятные для микрофлоры гидротермические и воздушные режимы (таблица).
Вниз по почвенному профилю снизилась пропорционально с понижением содержания гумуса, меньшим количеством микробиоты, с разреженностью растительных остатков. Также почвенные горизонты с тяжелым механическим составом обладают более высокой ферментативной активностью, чем по сравнению с легко суглинистыми прослойками. Возможно, это связано с иммобилизацией внеклеточных ферментов в водопрочных агрегатах [11].
Рис. 2. Сезонная динамика ферментативной активности орошаемых засоленных почв Каракалпакии
Как говорили выше, климатические условия являются наиболее важными из факторов, регулирующих почвенные процессы. В этом отношении активность ферментов, изученных нами, зависит от гидротермических условий, и наибольшие показатели их обнаруживаются в основном в весенний период (рис. 2).
Возможно, это связано, с тем, что в весенние месяцы, когда в почве имеются неразложившиеся растительные остатки, достаточная влажность и оптимальная температура и бурно развиваются микробиологические процессы. Летом, в связи с малым количеством атмосферных осадков и резким повышением температуры, в почве создаются неблагоприятные условия для биологических процессов, в том числе и для активности ферментов. В конце вегетационного периода снижается чрезмерно высокая температура и поступают растительные остатки в почву (после вегетационного периода), в связи с этим в исследуемых почвах наблюдается некоторое повышение активности ферментов в этот период.
Известно, что на активность биологических процессов оказывают влияние физические, физико-химические, агрохимические свойства, численность и состав микрофлоры [11]. В результате исследований выявлены тесные корреляционные связи между активностью ферментов и некоторыми агрохимическими и агрофизическими показателями почвы. Выявлено, что оптимальные значения агрохимических свойств создают благоприятные условия для развития микроорганизмов, как следствие, в почву поступает больше ферментов. Итак, более гумусированные почвы обладают повышенной ферментативной активностью, это доказано на основе выявленной тесной связи между активностью ферментов и с содержанием гумуса (r = 0,91 – 0,96).
Известно, что для нормального развития почвенных микроорганизмов необходимы оптимальные условия питания, которые создаются составом, количеством и соотношением основных питательных элементов, в частности азота, фосфора и калия. Под действием ферментов органические вещества и остатки биоты распадаются до различных промежуточных и конечных продуктов минерализации. При этом для микроорганизмов и растений образуются доступные питательные вещества. В результате исследований выявлена корреляционная связь между содержанием общего азота (r = 0,92 – 0,98), фосфора (r = 0,80 – 0,89), калия (r = 0,86 – 0,91) и активностью ферментов.
Из микроэлементов в почве особенно медь, цинк и марганец принимают участие в окислительно-восстановительных процессах. Они активизируют ферментативные процессы и играют большую роль в фотосинтезе и образовании белков. В результате исследований выявлена положительная корреляция между оксидаз и содержанием подвижных форм микроэлементов. Корреляция между содержанием меди и активностью ферментов варьируется в пределах r = 0,70 – 0,83, между содержанием цинка r = 0,81 – 0,91, также между содержанием марганца r = 0,89 – 0,96. Изменение физических свойств почв является одним из эффективных регулирующих механизмов биологической активности почвы. В результате исследований выявлена корреляционная связь между активностью ферментов и общей порозностью почвы (r = 0,65 – 0,70).
Выводы
Таким образом, результаты статистических обработок данных показали на существование тесных связей между рассматриваемыми параметрами и дали возможность выявить некоторые общие положения о характере зависимостей ферментативной активности от изменений основных свойств засоленных почв Южного Приаралья. В целом выявлена зависимость активности ферментов от агрохимических и агрофизических свойств, а также от степени засоления почв, – активность их выше в незасоленных и слабозасоленных новоорошаемых и староорошаемых лугово-аллювиальных почвах, сравнительно низка в среднезасоленных почвах и очень слаба в сильнозасоленных почвах и солончаках.
В сезонной динамике ферментативной активности орошаемых почв выявлено, что их активность имеет свой пик в весенний период, постепенно снижается летом и несколько повышается осенью. При этом разница между летним и осенним сезонами активности ферментов незначительна.