doi: 10.15389/agrobiology.2023.5.937rus
УДК 631.465;631.48
ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ И СТАБИЛИЗАЦИЯ
ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В АГРОДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ
ПОЧВЕ
Л.В. БОЙЦОВА ✉, С.В. НЕПРИМЕРОВА, Е.Г. ЗИНЧУК
Полифенолоксидазы (ПФО) и пероксидазы (ПО) представляют собой почвенные внеклеточные ферменты, которые присутствуют в почве в свободном состоянии, а также могут быть связаны в органо-минерально-ферментные комплексы. ПФО участвуют в катализе синтеза гумусовых веществ, ПО — в катализе их распада. Накопление почвенного гумуса связано с активностью ПФО и ПО. В настоящей работе впервые установлено влияние активности ПФО, ПО на аккумуляцию органического углерода в агродерново-подзолистой почве и ее илистой фракции. Цель работы — изучение сезонной динамики ферментативной активности полифенолоксидаз и пероксидаз и ее влияния на стабилизацию органического углерода в агродерново-подзолистой почве. Полевые исследования проводили в вегетационные периоды 2020-2021 годов на территории экспериментальной опытной станции ФГБНУ АФИ (п. Меньково, Ленинградская обл., Гатчинский р-н) на участке агродерново-подзолистой почвы без внесения минеральных удобрений. Делянка 2×2 м в 2020-2021 годах была занята чистым паром, в 2019 году на ней выращивали вико-овсяную смесь (Vicia sativa L., Avena sativa L.). Отбор почвенных образцов при помощи почвенного бура Эндельмана из слоя гумусового горизонта 0-10 см проводили методом конверта каждый месяц с мая по август. Содержание общего органического углерода (Сорг.) и углерода, ассоциированного с илистой фракцией (Сил.), определяли методом Тюрина. Влажность почвы оценивали термостатно-весовым методом, температуру — с использованием электронных датчиков iButton DS 1921 («Dallas Semiconductor», США), установленных на глубине 10 см. Процесс накопления углерода в почве оценивали с использованием коэффициента обогащения углеродом илистой фракции почвы (Esoc). Активность пероксидаз и полифенолоксидаз изучали фотоколориметрическим методом по Галстяну при λ = 440 и λ = 590 нм. Активность оксидаз в 2021 году была выше, чем в 2020 году: ПФО в среднем в 5 раз, ПО — в среднем в 3 раза. Активность ПФО была в среднем в 1,7 раза выше в 2020 году и в 2,6 раза выше в 2021 году, чем активность ПО, что отразилось на величине коэффициента гумификации (Кгум.), который рассчитывается по отношению ПФО к ПО. В 2021 году, когда в почве сформировались благоприятные гидротермические условия для процессов образования гумуса (средняя температура почвы — 20 °С, влажность — 16,4 %), Кгум. был выше на 47 %. С уменьшением температуры почвы наблюдалось статистически значимое (р < 0,05) увеличение активности ПФО в течение всего периода наблюдений. В 2021 году с увеличением влажности почвы достоверно повышалась активности ПО (р < 0,05). Проведенные исследования свидетельствуют о том, что максимальное содержание общего органического углерода в почве соответствовало максимальной активности полифенолоксидаз. В 2021 году содержание общего органического углерода уменьшилось в среднем на 2 % по сравнению с 2020 годом (p < 0,63). Однако средние значения содержания Сил. за аналогичный период увеличились на 4,78 % (p < 0,43). Вследствие этого в 2021 году повысился коэффициент обогащения илистой фракции почвы. Связь активности оксидаз с содержанием органического углерода, ассоциированного с илистой фракцией, имела сложный характер, поскольку органическое вещество, закрепленное в илистой фракции, слабо подвержено воздействию микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. Наибольшее влияние температура и влажность почвы оказали на накопление углерода в илистой фракции почвы по сравнению с депонированием в ней общего органического углерода. При этом связь между влажностью почвы и накоплением Сорг. и Сил. была сильнее (соответственно r = 0,66 и r = 0,90, р < 0,05), чем связь между температурой почвы и накоплением Сорг. и Сил. (r = -0,43 и r = -0,73, р < 0,05).
Ключевые слова: агродерново-подзолистая почва, полифенолоксидаза, пероксидаза, общий органический углерод, углерод илистой фракции.
ENZYME ACTIVITY AND ORGANIC CARBON CONTENT IN AGRICULTURAL SPODOSOL
L.V. Boitsova ✉, S.V. Neprimerova, E.G. Zinchuk
Polyphenol oxidases (PPO) and peroxidases (PO) are soil extracellular enzymes that can be found in free forms and can also be bound in organo-mineral-enzyme complexes. PPO are involved in the catalysis of the humic substances synthesis, while PO are involved in the catalysis of their decomposition. The accumulation of soil humus is associated with the activity of PPO and PO. In this work, the influence of PPO and PO activity on the accumulation of organic carbon in a sandy Spodosol and its clay fraction was studied for the first time. The purpose of the work was to evaluate the seasonal dynamics of the enzymatic activity of PPO and PO as well as its effect on the stabilization of organic carbon in a sandy Spodosol. Field study was carried out during the growing seasons of 2020-2021 at the experimental station of the Agrophysical Research Institute (Menkovo village, Gatchina District, Leningrad Province) on a plot of sandy Spodosol soil without application of mineral fertilizers. A plot of 2×2 m in 2020-2021 was a fallow land while in 2019 a vetch-oat mixture (Vicia sativa L., Avena sativa L.) was grown there. Soil samples were collected with an Endelman soil drill from 0-10-cm layer using the envelope method, every month (from May to August). The content of total organic carbon (Corg) and carbon associated with the soil clay fraction (Cclay) was determined by the Tyurin method. Soil moisture was measured gravimetrically, temperature by electronic sensors iButton DS 1921 (Dallas Semiconductor, USA), installed at a depth of 10 cm. The soil carbon accumulation was calculated using the carbon enrichment coefficient of clay soil fractions (Esoc). The activity of PO and PPO was assessed using the Galstyan photocolorimetric method at λ = 440 and λ = 590 nm. The activity of oxidases in 2021 was, on average, 5 times higher for PPO and 3 times higher for PO compared to 2020. The activity of the PPO was, on average, 1.7 times higher in 2020 and 2.6 times higher in 2021 than the activity of the PO, which was reflected in the value of the humification coefficient (Kgum), which is calculated by the ratio of the PPO to the PO. In 2021, when the hydrothermal conditions in the soil were favorable for processes of humus synthesis (average soil temperature -20 °C, 16.4 % humidity), Kgum. was 47 % higher than in 2020. With a decrease in soil temperature, the statistically significant (p < 0.05) increase in PPO activity occcured throughout the entire observation period. In 2021, with an increase in soil moisture, PO activity significantly increased (p < 0.05). The conducted studies indicate that the maximum content of total organic carbon in the soil corresponded to the maximum activity of polyphenoloxidases. In 2021, the total organic carbon content decreased on average by 2 % compared to 2020 (p < 0.63). However, the average values of Cclay content over the same period increased by 4.78 % (p < 0.43). As a result, in 2021 the enrichment coefficient of the clay fraction of the soil increased. The relationship between the activity of oxidases and the content of organic carbon associated with the clay fraction was complex, since the organic matter fixed in the clay fraction is weakly susceptible to the influence of microorganisms and their metabolic products. Temperature and soil moisture had the greatest influence on the accumulation of carbon in the clay fraction of the soil compared to the deposition of total organic carbon in it. At the same time, the relationship between the soil moisture and the accumulation of Corg and Cclay was stronger (r = 0.66 and r = 0.90, respectively, р < 0,05) than the relationship between the soil temperature and the accumulation of Corg and Cclay (r = -0.43 and r = -0.73? р < 0,05).
Keywords: Spodosol, polyphenol oxidase, peroxidase, total organic carbon, clay fraction carbon.
ФГБНУ Агрофизический научно-исследовательский |
Поступила в редакцию |
