Влияние разных способов стерилизации на биологическую активность почв

С увеличением числа микроорганизмов  активность ферментов увеличивается. С глубиной происходит, как правило, резкое снижение общей численности  микрофлоры, меняется соотношение различных  групп микроорганизмов и, как  следствие, падает активность ферментов (Вухрер, Шамшиева,1968). Выделение ферментов  в почву микроорганизмами и корнями  растений обычно носят адаптивный характер.

Также определенный вклад  в создание ферментативной активности вносит и почвенная фауна. Козлов (1965) показал, что дождевые черви, муравьи, термиты, гусеницы сибирского шелкопряда играют существенную роль в обогащении почвы ферментами.

Количество поступающих  ферментов зависит от биомассы и  метаболической активности биоты, что  определяется размерами и характером взаимодействия основных компонентов  экологических факторов.

Почвенные ферменты обычно связаны с органическим веществом  почвы и находятся в местах их образования, не продвигаясь по профилю (Купревич, 1974).

Ферментативная активность – это элементарная почвенная  характеристика. Это выявлено в результате исследований В.Ф. Купревича, Я.В. Пейве, А.Ш. Галстяна, Ф.Х. Хазиева, Л.Г. Звягинцева, С.А.Абрамяна, К.Ш. Казеева и др.

Ферментативная активность почвы – интегральная характеристика функциональной деятельности  почвенной биоты и потенциальной способности к осуществлению различных биохимических превращений, а также ферментативная активность почв является относительно стабильным параметром среди показателей, характеризующих биологическую активность почв (Звягинцев, 1976) .

Ферментативная активность почв складывается в результате совокупности  процессов поступления, иммобилизации  и действия ферментов в почве. Источниками почвенных ферментов  служит все живое вещество почв: растения, микроорганизмы, животные, грибы, водоросли и  т.д. Накапливаясь в  почве, ферменты становятся неотъемлемым реактивным компонентом экосистемы. Почва является самой богатой  системой по ферментному разнообразию и ферментному пулу (Купревич, 1974). Разнообразие и богатство ферментов  в почве позволяет осуществляться последовательным биохимическим превращениям различных поступающих органических остатков. Ферментативная активность затрагивает наиболее важные повторяющиеся  превращения в биохимических  циклах углерода, азота, фосфора, серы и других соединений.

Значительную роль почвенные  ферменты играют в процессах гумусообразования. Превращение растительных и животных остатков в гумусовые вещества является сложным биохимическим процессом  с участием различных групп микроорганизмов, а также иммобилизованных почвой внеклеточных ферментов.

Существует тесная связь  между гумусовым состоянием почвы  и ее ферментативной активностью (Гончарова 1991; Вальков, 1990).

Зависимость ФА почвы от гумуса наиболее ясно выражена у гидролитических  ферментов. В почвах с высоким  содержанием гумуса – горно-луговых, черноземах – гидролитические процессы протекают интенсивнее, чем окислительные, поэтому в них обнаруживается высокая активность инвертазы, фосфотазы  и амилазы (Абрамян, 1992). Гончарова, Безуглова, Вальков (1990) провели анализ ферментативной активности чернозема обыкновенного  по почвенному профилю, который показал, что уменьшение содержания органического  вещества по почвенному профилю сопровождается ослаблением ферментативной активности.

Особо следует отметить значение ферментов в тех случаях, когда  в почве складывается экстренные для жизнедеятельности микроорганизмов  условия, в частности при загрязнении  тяжелыми металлами. В этих случаях  метаболизм в почве остается, в  известной мере, неизменным, благодаря  действию иммобилизованных почвой, и  поэтому устойчивых, ферментов.

Ферменты как белковые вещества обладают некоторой лабильностью, связанной с гибкостью их структуры  и локальным состоянием активного  центра, поэтому их каталитическая активность зависит от условий, в  которых протекают ферментативные реакции. Следовательно, эти условия  могут играть роль регуляторов ферментативной активности почв.

По результатам многочисленных исследований известно, что активность почвенных ферментов максимальна  в верхних, наиболее биогенных почвенных  горизонтах и вниз по почвенному профилю  падает, что связано с уменьшением  запасов органического вещества, меньшим количеством животных, микроорганизмов, корней растений в нижних горизонтах (Вухрер, Шамшиева,1968;Галстян1974; Гончарова, Безуглова, Вальков, 1990; Казеев, 1996; Вальков, Казеев, Колесников,1999).

Ферментативная активность почвы не является простой суммой активности ферментов корней растений, почвенной фауны и микроорганизмов, а должна рассматриваться как  более сложный интегральный показатель, зависящий от конкретных условий  среды.

Ферментативная активность как функциональная многофакторная почвенная характеристика зависит  от экологических факторов и свойств  почвы. Физические свойства почвы прямо  или опосредованно влияет на ферментативную активность. Почвы тяжелого гранулометрического  состава в пределах одного типа обладают более высокой ферментативной активностью, чем почвы легкого гранулометрического состава (Пейве,1961;  Купревич,1974; Галстян,1974 и др.) Это связано с иммобилизацией внеклеточных ферментов  в илистых и пылеватых  почвенных частицах, в которых содержится основная часть гумуса и активной микрофлоры  и с количеством которых коррелирует ферментативная активность. Ферментативная активность зависит и  от других физических свойств почвы: сложения, оструктуренности, плотности и др. Физические свойства почвы, определяя ее характер вводно-воздушно-термических режимов, в значительной степени контролируют ее биологическую активность.  Действие  этого параметра на ферментативную активность почв проявляется прежде всего через звено поступления ферментов в почву и их иммобилизацию.

Климатические условия являются наиболее важным из факторов, регулирующих почвенные процессы. Гидротермический режим определяет тонус жизнедеятельности  почвенных организмов, растений, активность биохимических процессов почвы. С увеличением запаса продуктивной влаги и  понижением температуры  наблюдается сопряженное возрастание  активности гидролитических ферментов  – инвертазы, фосфотазы, уреазы, АТФазы, а из оксидоредуктаз – дегидрогеназы. Высокая влажность и низкие температуры  способствуют накоплению значительной биомассы, гумуса и органических соединений азота, фосфора, серы в почве, которые  регулируют уровень активности соответствующих  гидролитических ферментов азотного, фосфорного и серного обмена. Между  активностью инвертазы, фосфотазы, уреазы и температурой почвы обнаружена тесная отрицательная связь, r  от  -0,91 до -0,96. Каталаза положительно коррелирует с температурой (Хазиев, 1982; Абрамян, 1992). 

Температура и влажность  являются одними из важных компонентов  экологических условий, регулирующих почвенные процессы, вследствие чего между влажностью почвы и ее ферментативной активностью существует прямая зависимость.

Зависимость ФА почвы от ее влажности в первую очередь  связана с тем, что влажность  оказывает влияние на микробиологическую активность и на деятельность корневой системы. Поскольку жизнедеятельность  микроорганизмов практически прекращается при влажности почвы ниже 10% (Козлов,1966), по-видимому, при низкой влажности  проявляется действие лишь ранее  накопленных ферментов. Также при  снижении влажности происходит изменение  коллоидно-химического свойства почвы  и происходит частично необратимая  инактивация ферментов (Хазиев, 1969 ).

Выведены уравнения регрессии  для всех изученных ферментов  в зависимости от температуры  и влажности. Согласно этим уравнениям, при уменьшении температуры на 10С  активность инвертазы возрастает на 4,45 мг глюкозы, фосфотазы – 0,99 мг фосфора, уреазы – 0,52 мг NН3, арилсульфатазы – 0,7 мг SО4, АТФазы – 0,32 мг фосфора, дегидрогеназы – 0,3 мг ТФФ, активность каталазы, наоборот, уменьшается на 0,27 куб.см О2, так как она находится в положительной связи с температурой. Установлено, что все изученные ферменты, за исключением каталазы, находятся в положительной зависимости с запасом продуктивной влаги. Увеличение влажности на 1 мл приведет к возрастанию активности инвертазы на 2,39 мг глюкозы, фосфотазы на 0,39 мг фосфора, уреазы – 0,12 мг NН3, арилсульфатазы – 0,38 мг SО4,  АТФазы – 0,12 мг фосфора, дегидрогеназы – 0,15 мг ТФФ, активность каталазы при этом уменьшается на 0,14куб. см О2 (Абрамян, 1992).

Водно-воздушный режим  в почве в значительной степени  определяет численность микроорганизмов, накопление ферментов и витаминов, которые в совокупности характеризуют  интенсивность и направленность биохимических процессов, протекающих  в почве (Абрамян, 1992).

Исследованиями различных  авторов установлено, что активность почвенных ферментов может служить  дополнительным диагностическим показателем  почвенного плодородия и его изменения  в результате антропогенного воздействия (Абрамян, 1992; Галстян,1974,1978,1982; Звягинцев 1978; Хазиев, 1976).

Применение ферментативной активности в качестве диагностического показателя способствует низкая ошибка опытов (не более 5-8%) и высокая устойчивость ферментов к температурной обработке, протеолизу, высушиванию, длительному  хранению, облучению (Звягинцев, 1976, 1978).

2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объектов исследования нами были выбраны чернозем обыкновенный южно-европейской фации карбонатный мощный слабогумусированный тяжелосуглинистый на желто-бурых и палево-бурых лессовидных глинах и суглинках, отобранный на территории Ботанического сада Южного федерального университета и каштановая почва (г. Элиста).

1. Черноземные почвы

Черноземные почвы — одни из самых плодородных почв. У нас в стране они занимают 1 905 тыс. кв.км, или 8,6% площади. Нам принадлежит около 50% от площади, занятой черноземными почвами во всем мире.

Черноземные почвы распространены в лесостепной и степной зонах. Эти зоны протянулись от низовий Дуная до Южного Алтая и далее на восток, по межгорным котловинам до Большого Хингана.

Растительность и климатические  условия этих зон различаются значительно, что накладывает отпечаток на характер формирующихся здесь черноземных почв. Климат лесостепной и степной зон характеризуется теплым летом и умеренно холодной и холодной зимой. В связи со значительной протяженностью зон происходят заметные изменения климата как при движении с севера на юг, так и при движении с запада на восток. При движении с севера на юг уменьшается среднегодовое количество осадков — от 600 до 350 мм в год в Европейской части, от 400 до 250 мм в год в Азиатской части. Испаряемость же в этом направлении возрастает, поэтому, в то время как в лесостепной зоне осадки и испаряемость в среднем уравновешиваются и условия увлажнения считаются оптимальными, в степях создается уже некоторый дефицит влаги. На всем протяжении зон температуры летнего периода остаются почти неизменными(Панфилов, Слесарев, 1998).

Лесостепная и степная  зоны характеризуются равнинным  или слабоволнистым рельефом. Широкое распространение здесь получили неглубокие плоские понижения, которые в степной зоне часто достигают нескольких километров в поперечнике,- блюдца, поды. Наиболее приподнятые участки территории, такие, как Приазовская, Среднерусская, Приволжская, Ставропольская возвышенности, Донецкий кряж, Общий Сырт, значительно расчленены овражно-балочной сетью.

В Азиатской части страны территория зон охватывает южную  оконечность слабодренированной Западно-Сибирской  низменности и северную часть  Центрально-Казахстанского мелкосопочника, равнинность которого нарушается отдельными сопками, возвышающимися над окружающей территорией на 20-50 м. Отдельные массивы  черноземных почв встречаются на расчлененных увалистых предгорных равнинах Алтая, в левобережной части  Минусинской котловины с сопочно-равнинным  рельефом и в Забайкальском нагорье (Ливеровский, 1974).

Почвообразование на большей части территории ведется на лёссах и лёссовидных суглинках, значительно реже — на глинах. Почвообразующие породы, как правило, содержат карбонаты, иногда легкорастворимые соли (засоленные породы Западной Сибири, Казахстана).

В настоящее время естественная растительность лесостепной и степной  зон сохранилась только частично по балкам, оврагам, заповедным местам. В прошлом в лесостепи леса чередовались с участками луговых степей. В лесах Европейской части страны преобладали дуб с липой, ясенем, кленом; на юго-западе среди пород широко развиты граб и бук. В западносибирской лесостепи по колкам развита береза с примесью осины и ивы (Добровольский,1999).

Участки луговых или разнотравных степей были представлены большим количеством  двудольных растений, наряду с которыми были развиты ковыли, типчак, тонконог, костер.

Целинная растительность степной зоны представлена разнотравно-типчаково-ковыльными и типчаково-ковыльными степями. В  этих степях основной фон создают  злаки: узколистый ковыль, ковыль-волосатик, типчак, тонконог. В типчаково-ковыльных  степях в составе растительности присутствуют эфемеры (луковичный мятлик, верблюдка) и полынь австрийская, появление  которых говорит уже о недостаточном  увлажнении степей.

Биологический круговорот под травянистой растительностью степей приводит к значительному накоплению в почвах кроме гумусовых веществ таких важнейших элементов питания растений, как N, Р, S, Са, и других в форме органо-минеральных соединений.

Оптимальные условия для черноземообразования складываются в южной части лесостепной зоны, в полосе типичных черноземов, где имеется максимальное количество растительной массы и определенный гидротермический режим.