Объекты и методы исследования

Федеральное государственное автономное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

«Южный федеральный УНИВЕРСИТЕТ»

БИОЛОГО-ПОЧВЕННЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Курсовая работа

на тему:

«Сравнительная характеристика биологических свойств целинного и пахотного чернозема обыкновенного»

Выполнила:

студентка 3 курса, очной формы обучения

Чернокалова Елена Викторовна

Научный руководитель:

доцент, к.б.н.

Даденко Евгения Валерьевна

РОСТОВ - НА - ДОНУ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................3

ГЛАВА 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................5

О чернозёме и его использовании.....................................................5

Биологические свойства чернозёма обыкновенного......................9

Изменение биологических свойств чернозёмов при распашке....15

ГЛАВА 2

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................23

Объекты.............................................................................................23

Методы...............................................................................................24

ГЛАВА 3

Результаты и их обсуждение..........................................................26

ВЫВОДЫ.............................................................................................27

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................28

ВВЕДЕНИЕ

Деятельность человека может ускорить и замедлить природные процессы и даже направить их в другую сторону. Поэтому необходимо четко представить, что и как угрожает почве и что надо делать, чтобы улучшить почвы — одно из основных наших богатств.

Среди антропогенных воздействий, связанных с сельскохозяйственным производством, наиболее существенные нарушения вызывают два его вида: распашка и выпас скота. Последствия влияния распашки многообразны и включают изменение микрорельефа поверхности почвы, изменение плотности, резкое увеличение эрозионной поверхности и др. Изменяется структура почвы таким образом, что большее количество органического вещества подвергается микробиологическому разложению. Выпас, являющийся основной сельскохозяйственной формой освоения горных территорий обуславливает пространственную неоднородность почвенного покрова, изменение биологической продуктивности фитоценозов, изменение физических и химических свойств почв и их противоэрозионной устойчивости (Деградация и охрана…., 2002; Balota et all, 2004).

Сельскохозяйственное использование – распашка и пастбищная нагрузка оказывают влияние на почвенную биоту. Влияние может быть прямым и косвенным т.е. опосредованно через изменение среды обитания (физических и химических характеристик), изменение микроклимата и источников энергии (углерода), изменение состава биотических сообществ и их продуктивности (Soil biology in agriculture, 2004).

Один из существенных факторов антропогенного изменения почв –длительное использование земель в пашне (более 40–80 лет) – в большинстве случаев приводит к снижению биологической активности. В первую очередь сельскохозяйственное использование земель приводит к уничтожению степной растительности, обеднению животного мира и изменению почвенного покрова. При этом в разных географических условиях для разных почв степень деградации неодинакова. Почвы с высоким уровнем плодородия, с высокой биологической активностью более устойчивы к негативным антропогенным воздействиям. (Вальков и др., 2001; Казеев и др, 2004).

Диагностика и оценка почв по особенностям строения почвенного профиля, их физическим и физико-химическим свойствам характеризует относительно консервативные признаки и свойства почвы. Микробиологические и биохимические показатели отражают динамичные свойства почв и являются индикаторами процессов жизни почвы (Щербаков и др., 1984; Девятова, 2006).

Многочисленными исследованиями установлено, что одним из объективных показателей суммарной биологической активности почвы, отражающих интенсивность и направленность протекающих в ней биохимических процессов, является ее ферментативная активность (ФА) (Галстян, 1974, 1978, 1982; Хазиев 1976, 1982; Звягинцев 1978; Гончарова, 1991; Абрамян, 1992; Казеев, 1996; Колесников, 1998; Личко, 1998; Даденко, 2004, 2006; Даденко, Казеев, 2003, Казеев и др., 2004;2006; Колесников и др., 2006 и др). Применению ферментативной активности в качестве диагностического показателя способствуют высокая чувствительность к внешним воздействиям, простота определения, низкая ошибка опыта.

Основная цель работы – изучение влияния сельскохозяйственного освоения - распашки на биологические свойства чернозема обыкновенного.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

О ЧЕРНОЗЕМЕ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИИ

Черноземы обыкновенные сформировались на При­азовской наклонной равнине, расположенной между южными отрогами До­нецкого кряжа и долиной нижнего течения р. Дон, в условиях, характери­зующихся значительным количеством положительных активных температур при недостаточном количестве осадков. Эти факторы, а также продолжи­тельный безморозный период и небольшая глубина промерзания почвы, способствуют почти беспрерывному протеканию процессов минерализации и гумификации органических остатков и являются одной из причин большой мощности гумусовых горизонтов и невысокого содержания гумуса в почве.

При вовлечении целинных почв в пашню происходит резкая разбалансировка биологических процессов. Равновесие нарушается и становится в подавляющем большинстве отрицательным, т. е. минерализация гумуса не компенсируется его новообразованием. Потери гумуса при интенсивном использовании почвы под пашню в ряде случаев достигают 50 % исходного содержания. Основными причинами являются:

- усиление процессов минерализации органического вещества под влиянием интенсивной обработки почв и повышением степени аэрации;

- отчуждение части органического вещества с урожаем, уменьшением количества растительных остатков в почве, связанным со сменой естествен­ного биоценоза агроценозом; нехваткой органических удобрений, низкой их эффективностью, обусловленной нарушением технологии их хранения;

- изменение структуры растительных сообществ; увеличением доли пропашных культур и снижением доли многолетних трав в севообороте;

- длительное применение физиологически кислых удобрений и свя­занного с этим усиления микробиологической активности;

- эрозионных процессов. (Симонович Е.И., 11.06.2009)

Физические свойства обыкновенных черноземов вполне благоприятны. Они характеризуются хорошей водо- и воздухопроницаемостью, сранительно неплотным сложением,высокой влагоемкостью гумусного горизонта и довольно значительными запасами продуктивной влаги. (20-22%). Что касается валового состава, то содержание SiO₂, TiO₂, R₂O₃ в основном мало изменяется по профилю. Это подтверждается и характером молекулярных отношений, которые в гумусовом горизонте близки (SiO₂ : R₂O₃ 6,3-6,7); в почвообразующей породе С и особенно в подстилающей они выше вследствие смены пород с глубины более 240 см. Выявитьстепень дифференциации элементов валового состава по профилю в процессе черноземообразования затруднительно, создается представление об устойчивости вещественного состава минеральной части. Содержание физической глины в горизонте А в глинистых разновидностях составляет 67-72% (в том числе илистой фракции 38-40%), в тяжелосуглинистых разновидностях 52-53% (в том числе ила 33-34%). Количество крупной пыли в глинистых разновидностях 10-12%, в тяжелосуглинистых 23-24%. По профилю гранулометрический состав изменяется незначительно. Количество физической глины у тяжелосуглинистых почв 53-56%, у среднесуглинистых почв 37-45%, у легкосуглинистых 20-30%. Черноземы обыкновенные давольно гумусные. В нераспаханных черноземах его содержание может достигать 8-9%. Верхняя часть большинства черноземов промыта от карбонатов. Это относится, большей частью, к целинным почвам. Более промыты от CaCO₃ черноземы обыкновенные. Вниз по профилю количество углекислоты резко увеличивается и достигает максимума в горизонтах ВС и С, где находятся ее новообразования в виде прожилок и белоглазки. Заметнаяпромытость верхней части профиля от карбонатов обусловила благоприятную для всех возделываемых в области сельскохозяйственных культур реакцию почвенной среды в корнеобитаемом слое. Величина рН в горизонтах А и АВ в большинстве случаев составляет 7,6-8,1, т.е. близкая к нейтральной. Глубже она несколько увеличивается, и в горизонтах АВ₂ и ВС достигает 8,2-8,5. Таким образом, черноземы обыкновенные являются хорошими пахотными землями. Они создают условия для выращивания всех районированных сельскохозяйственных культур. Однако их естесственная производительность уступает черноземам южно-европейской фации. (Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. «Почвы России»)

Использование целинного чернозема под сельскохозяйственную культуру, длительная и нерациональная его распашка сопровождаются разрушением структуры, образованием пыли и глыб, ухудшением вследствие этого водного режима и устойчивости почвы к эрозии. В целом происходит ухудшение условий жизни растений и снижение их продуктивности. Заметное ухудшение структуры почвы наблюдается в черноземах только в первые годы после распашки целины, впоследствии в старопахотных черноземах скорость разрушения структуры почвы резко замедляется. Обработка почвы значительно изменяет размер, форму, внешнее и внутреннее строение макроагрегатов. У агрегатов пашни отсутствует почти обязательная для агрегатов целины окантовка гуматной (предположительно гидрофобной, сообщающей агрегату дополнительную водоустойчивость) пленкой, резко возрастают рельефность, деформированность, а вместе с этим снижается совершенство их очертаний. При обработке количество неагрегированного материала во всех черноземах возрастает в наибольшей мере у чернозема южного, в наименьшей – у чернозема обыкновенного. Характерны изменения строения агрегатов в процессе восстановления равновесной плотности растет их порядковость вследствие агрегации неагрегированного материала, улучшается оформленность (видимо, в результате роста корней и деятельности почвенной фауны). При обработке нарушается характерная для целины стабильность порового пространства, уменьшается длина пор одного диаметра. Поры заполняются микроагрегатами и тонкодисперсным (неагрегированным) материалом. В обрабатываемом слое формируется два типа скоплений агрегатов: индивидуальные обособленные и искусственно сближенные. При обработке происходит резкое взрыхление отдельностей, их разрушение (в шлифе в этой фазе обнаруживается большое количество пор и отдельных макро- и микроагрегатов), далее отдельности сближаются по вертикальной оси, плотность быстро нарастает, и формируются агрегаты. Длительная распашка черноземов приводит к морфологической деградации агрегатов, глубокой перестройке порового пространства и в целом сложения. В сравнении с целиной снижаются коэффициент оформленности агрегатов, их порядковость, увеличивается содержание неагрегированного материала и соотношение видалой меж- и внутриагрегатной пористости. Взрыхление и частичное разрушение почвы при обработке, а также последующее восстановление равновесной плотности могут привести к значительным изменениям водновоздушного и других режимов. Устойчивость микроморфологических признаков исследованных почв при обработке уменьшается в последовательности: чернозем обыкновенный–типичный–южный. Изменение механического состава черноземов под действием почвообразовательного процесса и сельскохозяйственной культуры происходит медленно и преимущественно в сторону оглинивания. Структурно-агрегатный состав черноземов при длительной распашке претерпевает значительные качественные и количественные изменения. Достоверное снижение содержания в пахотном слое по сравнению с той же глубиной целины агрегатов агрономически ценного размера (10…0,25 мм) сопровождается одновременным увеличением (особенно в черноземе южном) глыб (>10 мм). Распыления почвы при этом не обнаруживается. Длительная распашка относительно более устойчивой к механическим воздействиям почвы (чернозем обыкновенный) увеличивает в макроагрегатах количество крупных и уменьшает – мелких пор, т. е. приводит к усилению в такой почве потенциальной сухости макроагрегатов, а значит, ухудшает их агрономическую ценность. В результате уплотнения изменяются водно-физические свойства и режим почвы: уменьшается скорость поступления в почву атмосферной влаги, ее доступность, увеличиваются плотность и твердость, по разным данным (Володарский, 1964; Рюбензам и др., 1964; Бактин, 1969), до глубины 30…120 см, резко ухудшаются условия для развития корневых систем растений.

(Кушнарев А.С., Кузьмин В.И. К вопросу определения мгновенного модуля упругости почвы. Из книги: «Доклады 1-ой научной конференции по проблемам комплексной механизации освоения каменистых земель», Ереван, 1969.)

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО

Одними из важнейших диагностических показателей состояния почв и интенсивности, протекающих в них процессов являются показатели ее биологической активности, в частности, численность микроорганизмов и ферментативная активность. Изучена активность ферментов двух классов: оксидоредуктаз (дегидрогеназа), гидролаз (b-фруктофуранозидаза, или инвертаза и фосфатаза).

Хорошее биологической активности почвы является жизненно важным компонентом плодородия почв.

Диагностика и оценка почв по особенностям строения почвенного профиля, их физическим и физико-химическим свойствам характеризует относительно консервативные признаки и свойства почвы. Микробиологические и биохимические показатели отражают динамичные свойства почв и являются индикаторами процессов жизни почвы (Щербаков и др., 1984; Девятова, 2006).

Многочисленными исследованиями установлено, что одним из объективных показателей суммарной биологической активности почвы, отражающих интенсивность и направленность протекающих в ней биохимических процессов, является ее ферментативная активность (ФА) (Галстян, 1974, 1978, 1982; Хазиев 1976, 1982; Звягинцев 1978; Гончарова, 1991; Абрамян, 1992; Казеев, 1996; Колесников, 1998; Личко, 1998; Даденко, 2004, 2006; Даденко, Казеев, 2003, Казеев и др., 2004;2006; Колесников и др., 2006 и др). Применению ферментативной активности в качестве диагностического показателя способствуют высокая чувствительность к внешним воздействиям, простота определения, низкая ошибка опыта.

Ферментативную активность почвы можно использовать в качестве диагностического показателя плодородия различных почв, потому что активность ферментов отражает не только биологические свойства почвы, но и их изменения под влиянием агроэкологических факторов (Галстян, 1967; Чундерова,1976; Чугунова, 1990 и др.).

Основные пути поступления ферментов в почву - это прижизненно выделяемые внеклеточные ферменты микроорганизмов и корней растений и внутриклеточные ферменты, поступающие в почву после отмирания почвенных организмов и растений.

Выделения ферментов в почву микроорганизмами и корнями растений обычно носит адаптивный характер в форме ответной реакции на присутствие или отсутствие субстрата для действия фермента или продукта реакции, что особенно четко проявляется с фосфатазами. При недостатке в среде подвижного фосфора микроорганизмы и растения резко усиливают выделение ферментов. На такой взаимосвязи и основано применение величины фосфатазной активности почвы как диагностического показателя обеспеченности растений доступным фосфором (Наумова, 1954, Котелев, 1964).

Ферменты, попадая из различных источников в почву, не разрушаются, а сохраняются в активном состоянии. Нужно полагать, что ферменты, являясь наиболее активным компонентом почвы, сосредоточены там, где наиболее напряженно идет жизнедеятельность микроорганизмов, то есть на поверхности раздела между почвенными коллоидами и почвенным раствором. Экспериментально доказано, что ферменты в почве находятся главным образом в твердой фазе (Звягинцев, 1979).

По своей биохимической природе все ферменты представляют собой высокомолекулярные белковые вещества. Полипептидная цепочка белков - ферментов расположена в пространстве исключительно сложным образом, неповторимым для каждого фермента. При определенном пространственном расположении функциональных групп аминокислот в молекуле белка образуется каталитически активный центр (Ленинжер, 1976).

Ферментативный катализ начинается с образования активного промежуточного соединения - фермент-субстратного комплекса. Комплекс - результат присоединения молекулы субстрата к каталитически активному центру фермента. При этом пространственные конфигурации молекул субстрата несколько видоизменяются. Новое ориентированное размещение на ферменте реагирующих молекул обеспечивает высокую эффективность ферментативных реакций, способствующих снижению энергии активации (Хазиев, 1962).

За каталитическую активность фермента ответственны не только активный центр фермента, но и вся структура молекулы в целом. Скорость ферментативной реакции регулируется множеством факторов: температурой, рН, концентрацией фермента и субстрата, наличием активаторов и ингибиторов. В роли активаторов могут выступать органические соединения, но чаще различные микроэлементы (Купревич, Щербакова, 1966).

Какие же ферменты используют при анализе ферментативной активности:

Инвертаза — катализирует реакции гидролитического расщепления сахарозы на эквимолярные количества глюкозы и фруктозы, воздействует также на другие углеводы с образованием молекул фруктозы — энергетического продукта для жизнедеятельности микроорганизмов, катализирует фруктозотрансферазные реакции. Исследования многих авторов показали, что активность инвертазы лучше других ферментов отражает уровень плодородия и биологической активности почв. (Ковриго В.П,2000)

Уреаза — катализирует реакции гидролитического расщепления мочевины на аммиак и диоксид углерода. В связи с использованием мочевины в агрономической практике необходимо иметь в виду, что активность уреазы выше у более плодородных почв. Она повышается во всех почвах в периоды их наибольшей биологической активности — в июле — августе. (Ковриго В.П,2000)

Фосфатаза (щелочная и кислая) — катализирует гидролиз ряда фосфорорганических соединений с образованием ортофосфата. Активность фосфатазы находится в обратной зависимости от обеспеченности растений подвижным фосфором, поэтому она может быть использована как дополнительный показатель при установлении потребности внесения в почвы фосфорных удобрений. Наиболее высокая фосфатазная активность в ризосфере растений. (Ковриго В.П,2000)

Протеазы — это группа ферментов, при участии которых белки расщепляются до полипептидов и аминокислот, далее они подвергаются гидролизу до аммиака, диоксида углерода и воды. В связи с этим протеазы имеют важнейшее значение в жизни почвы, так как с ними связаны изменение состава органических компонентов и динамика усвояемых для растений форм азота. (Ковриго В.П,2000)

Каталаза — в результате ее активирующего действия происходит расщепление перекиси водорода, токсичной для живых организмов, на воду и свободный кислород. Большое влияние на каталазную активность минеральных почв оказывает растительность.

Как правило, почвы, находящиеся под растениями с мощной глубоко проникающей корневой системой, характеризуются высокой каталазной активностью. Особенность активности каталазы заключается в том, что вниз по профилю она мало изменяется, имеет обратную зависимость от влажности почв и прямую — от температуры. ( Ковриго В.П,2000)

Полифенолоксидаза и пероксидаза — им в почвах принадлежит важная роль в процессах гумусообразования. Полифенолоксидаза катализирует окисление полифенолов в хиноны в присутствии свободного кислорода воздуха. Пероксидаза же катализирует окисление полифенолов в присутствии перекиси водорода или органических перекисей. При этом ее роль состоит в активировании перекисей, поскольку они обладают слабым окисляющим действием на фенолы. Далее может происходить конденсация хи- нонов с аминокислотами и пептидами с образованием первичной молекулы гуминовой кислоты, которая в дальнейшем способна усложняться за счет повторных конденсаций (Кононова, 1963).

Воздействие на почву различных агротехнических приемов отражается на структуре микробного сообщества и его биологической активности.

Микроорганизмы очень чуткие индикаторы, резко реагирующие на различные изменения в окружающей среде. Следствием этого является высокая динамичность микробиологических показателей не только в пространстве, но и во времени. Кроме того, неравномерность распределения микрофлоры в почвенной толще, обусловливающая пестроту значений численности микроорганизмов и требующая многократности анализов, недостаточная разработанность микробной систематики и идентификации видов усложняют использование микробиологических показателей в диагностических целях. (И.Н.Безкоровайная, «Биологическая диагностика и индикация почв», 2001 г)

Основные группы микроорганизмов - это грибы, бактерии, актиномицеты. Все они играют определенную роль в плодородии почвы и её почвообразовании. В связи с тем, что все перечисленные выше группы микроорганизмов действуют не порознь, а в тесной взаимосвязи друг с другом, суммарное действие почвенной микрофлоры может отображаться показателем общей биогенности почвы. Каталаза синтезируется практически всеми микроорганизмами, поэтому она всегда обнаруживается в почве. К ферментам участвующим в превращении белковых веществ относится фермент уреаза, который осуществляет гидролиз мочевины. Активность уреазы сравнительно невелика и проявляется в основном в весенний период, затем к концу вегетации существенно снижается, что является косвенным свидетельством её бактериального происхождения. В результате проведенных в 2004-2005гг. исследований по изучению влияния различных вариантов основной обработки почвы на активность почвенного фермента уреаза выявило снижение активности этого фермента в слое 10-30 см под воздействием вспашки. (Кирясова Н.А. 2007г., «Влияние основной обработки почвы на её биологическую активность в зернопаровом звене севооборота»)

ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ РАСПАШКЕ

На формирование и изменение БА почв огромное влияние оказывает антропогенное воздействие (распашка целинных почв, внесение удобрений, известкование, загрязнение пестицидами, тяжелыми металлами и др.). БА почвы играет важную роль в процессе формирования, становления или деградации почвенного плодородия. (В.Ф. Вальков, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников; источник: Научная мысль Кавказа: Научный и общественно-теоретический журнал - Ростов н/Д.: Северо-Кавказский научный центр высшей школы, 1999. N 1 (17). )

На почвенно-биологическую активность влияют в основном возделываемые культуры и их предшественники. Возможны и кратковременные (сезонные) влияния на параметры. Особенно повышают биологическую активность почвы культуры, которые оставляют после себя высокую долю пожнивных и коренных остатков. Но и на почвах удобренных навозом также наблюдалась более высокая активность ферментов.

Вид земледелия и возделываемых культур имеет сильное воздействие на биологическую активность почвы. Почвенно-биологические процессы также подвержены влиянию специфических погодных условий. Обогащенная в экологическом земледелии органическая субстанция почвы при достаточном количестве осадков способствовала повышенной биологической активности почвы. Возделывание многолетних кормовых культур, а также удобрение навозом способствуют биологической активности почвы. (http://www.urozhayna-gryadka.narod.ru/aktivnost_pochvi.htm)

При распашке природных фитоценозов сложившаяся система связей нарушается. Вместо многовидового фитоценоза высевается один вид культурного растения, утрачивается ярусность, сокращается время взаимодействия растений с почвой. При вспашке ликвидируется естественная растительность, почва оголяется и снижается устойчивость к эрозии, также создаются благоприятные условия для роста сорняков, с которыми культурные растения не могут конкурировать. Это определяет повышенные требования к технологической дисциплине, для обеспечения культурного почвообразовательного процесса. С момента освоения (вспашки, перекопки) изменяются все факторы почвообразования, а не только растительность, - видоизменяется и процесс почвообразования: меняются климатические параметры (режимы тепла, влажности, аэрации, применяется орошение и т.д.); меняются рельеф и физическое состояние поверхности; в отдельных случаях меняется и материнская порода (известкование, пескование, глинование, мелиоративные дозы торфа и другие спецприемы); изменяются и временные циклы экосистемы, кроме сезонных формируются вегетационный, севооборотный циклы; циклы многих элементов из замкнутых становятся разомкнутыми, так как из пахотного горизонта усиливается природный и техногенный вынос, усиливается изъятие ЭМПР с урожаем при некомпенсирующем внесении удобрений. Иногда почва в культуре изменяется незначительно, в пределах вида, яснее это проявляется у черноземов. У слабоокультуренных почв после освоения лидируют природные процессы (из «новых» только эрозия), а собственно культурные практически не проявляются. В результате в экстенсивном земледелии со слабой технологической дисциплиной почвы «выпахиваются», может развиться деградационный процесс и свойства почвы ухудшаются по сравнению с исходным состоянием до освоения - распыление (разрушение структуры), уплотнение и, как следствие, ухудшение влаго- и воздухопроницаемости, дефицит ЭМПР. Острый дефицит фосфора и калия очень часто случается и без распашки, на сенокосах. При грубом нарушении природных условий возможна ускоренная деградация, - эрозия, ускоренное заболачивание удобренных осушенных почв, утрата (сработка, т.е. минерализация, выдувание, смыв вместе взятые) торфа на осушенных торфяных почвах, засоление и осолонцевание орошаемых почв и т.д. Причины антропогенной деградации обрабатываемых почв в том, что некомпенсированно ускоряются процессы минерализации гумуса и разрушения структуры. В обрабатываемой почве уменьшается, по сравнению с необрабатываемой, коэффициент гумификации, а минерализация возрастает. Коэффициент гумификации выше в условиях умеренно ослабленной аэрации, которые устанавливаются в целинных почвах под травянистой растительностью. Этим объясняется восстановление плодородия под залежью и перелогом в исторических системах, под многолетними травами и клевером в полевой культуре в современных технологиях. (http://nakaryakov.narod.ru/courses/rast_vo/semled_e.htm)

На черноземных почвах выращивают зерновые, технические, масличные, плодовые культуры. Сельскохозяйственное использование почв существенно изменяет природный процесс почвообразования. Прежде всего, изменяется характер биологического круговорота веществ, условия формирования водного и термического режимов (И.С. Кауричев, 1982). При возделывании сельскохозяйственных культур с пахотных угодий ежегодно отчуждается большая часть создаваемой биомассы, в почву поступает значительно меньше органических остатков. Дозы разового внесения удобрений ограничиваются не только их дефицитом и эффективностью использования, но и экологическими последствиями, например, избыток нитратов.

Снижение количества источников гумуса приводит к снижению содержания и запасов гумуса в пахотных черноземах (Н.Ф. Ганжара, 2001). При этом ухудшаются санитарно-защитные свойства, снижается биологическая активность почвы. Потери и недостаток легкоразлагаемых органических веществ неизбежно приводит к усилению процессов выпахивания: к ухудшению структуры, физических и водно-физических свойств, ухудшению питательного режима почв.

При сельскохозяйственном использовании на свойства черноземов влияют также приемы обработки почвы, минеральные и органические удобрения, сельскохозяйственная техника, режим орошения.

По мнению Г.Ф. Манторовой (2003), почва является саморегулирующейся системой, обеспечивающей в известных границах в течение многих лет естественное воспроизводство плодородия. Это свойство почвы не гарантирует сохранения постоянного уровня продуктивности пашни, тем более - ее повышения. В естественных условиях на целинных и залежных землях плодородие почвы увеличивается за счет использования энергии солнца зелеными растениями, оставляющими в почве энергетического материала больше, чем потребляют его для жизни.

Но естественное пополнение плодородия прекращается при отчуждении человеком продукции зеленых растений. Равновесие нарушается и вступает в силу закон возврата: надо вернуть земле, как минимум, то количество питательных веществ, которое отчуждено с урожаем.

Как известно, основная масса корней культурных растений размещается в верхнем слое почвы, послеуборочные остатки сохраняются на поверхности, что способствует гетерогенному строению пахотного слоя почвы и является причиной более мелкого размещения корней последующих культур. В районах с недостатком влаги верхний десятисантиметровый слой менее чем за две недели в условиях жаркой погоды пересыхает до мертвого запаса влаги. В нижних же слоях влага сохраняется в почве до середины июня. То есть имеет место противоречие: небольшие запасы доступных форм питательных веществ – в верхнем слое, а более благоприятный водный режим – в нижнем. Такое состояние приводит к резкой дифференциации слоев по плодородию.

В.И. Торжевский (1983) отмечал, что при длительном применении безотвальных способов обработки почвы происходит дифференциация пахотного слоя по плодородию. В.М. Холзаков (2001) наблюдал это явление на почве, обработанной как отвально, так и безотвально, и не только в конце вегетационного периода, но и в периоды между обработками. Кроме того, разные виды обработок оказывают неодинаковое воздействие на биогенную активность, агрофизические, водные свойства почвы.

В зависимости от характера и интенсивности обработок агрофизические свойства черноземов изменяются следующим образом. В опытах и производственных условиях длительная обработка почв оказывает незначительное влияние на механический и микроагрегатный состав. Напротив, структурно–агрегатный состав черноземов претерпевает значительные качественные и количественные изменения. Глыбистость почвы возрастает на 4-11 % от веса. На 10-18 % снижается содержание агрегатов агрономически ценного размера (10-0,25 мм), на 15-19 % – водоустойчивость почвенной структуры, на 18-26 % - механическая прочность и на 2-4 % - пористость агрегатов размером от 5 до 0,25 мм. Средние показатели на целине (залежи) составляют соответственно 8, 15, 77, 55, 90 и 42 %. Плотность сложения пашни сразу же после обработки снижается на 0,2 г/см3, после самоуплотнения возрастает на 0,08-0,21 г/см3 по сравнению с залежью. Водопроницаемость в максимально взрыхленном состоянии составляет 120-142 мм/г, при равновесной плотности – 53-62 мм/г (В.В. Медведев, 1979).

При распашке целинных черноземов происходит снижение гумуса и азота в пахотном слое и ухудшение других свойств почвы как под влиянием механических обработок и усиления минерализации гумуса, так и при воздействии эрозии.

Исследования влияния удобрений на свойства черноземов проводились многими учеными. Отмечено (И.С. Кауричев, 1982): структурно-агрегатный анализ черноземов на удобренных (NPK по 60-90, 120-180 и 1200 кг д.в. на 1 га, а также отдельные виды удобрений в тех же дозах) и неудобренных вариантах показывает, что содержание глыб и пыли различается в них незначительно. В первые два года после внесения повышенных доз удобрений, особенно на фоне азотного удобрения, отмечается снижение содержания агрономически ценных агрегатов (с 70 до 60 %), их водостойкости (с 49 до36 %). Но через два-три года происходит восстановление исходного уровня оструктуренности.

На фоне полного минерального удобрения структурный состав (сухое просеивание) чернозема обыкновенного несколько улучшается, водоустойчивость снижается, вследствие чего на 10 % снижается и водопроницаемость. Почвенно-гидрологические константы, плотность почвы и дифференциальная пористость изменяются незначительно.

При внесении в чернозем (мощный) 20-30 т/га навоза один раз в 4-5 лет повышаются водоустойчивость и водопроницаемость, но снижается равновесная плотность почв и отдельных агрегатов (с 1,26 до 1,20 г/см3 и с 1,55-1,60 до 1,49-1,51 г/см3). Обнаруживается некоторое увеличение содержания микроагрегатов крупнее 0,05 мм.

При внесении навоза в один прием в вегетационном опыте уже через полгода удается достичь улучшения водоустойчивости и водопроницаемости почвы (В.В. Медведев, 1979).

Черноземы обыкновенные и южные лимитированы во влаге, поэтому они являются объектами орошения. Орошение не только повышает урожайность сельскохозяйственных культур, но и наиболее существенно влияет на свойства почвы.

Исследование влияния длительного регулярного орошения на состояние черноземов показывает (В.П. Панфилов и другие, 1988), что под действием искусственного обводнения происходит: а) увеличение общего количества гуминовых кислот в основном за счет фракций, связанных с кальцием, и соответственное уменьшение количества подвижных гуминовых кислот; б) уменьшение общего количества фульвокислот за счет фракций, связанных с кальцием, при одновременном относительном увеличении их подвижных фракций; в) резкое уменьшение содержания гуминов; г) активный вынос водорастворимых фракций.

Увеличение количества солей в черноземах при орошении нередко стимулирует приобретение ими солонцеватости и других негативных признаков может; может быть следствием привноса их с поливными водами, минеральными удобрениями и возросшей интенсивности процессов минерализации биогенных остатков и гумуса.

При орошении реакция среды в черноземах сохраняется в пределах, свойственных типу почвообразования. Некоторые изменения показателей pHВОД. отражают активизацию при орошении черноземов процессов образования бикарбонатов и их внутрипочвенной вертикальной и боковой миграции (М.М. Разумова, 1977). Определение pHСОЛ применительно к черноземам обеспечивает возможность косвенной оценки состояния карбонатной системы, с которой тесно связана их подтиповая сущность. Способность подщелачивать раствор KCl закономерно убывает в ряду от типичного к оподзоленному чернозему.

В черноземах, ненормированно орошаемых в течение нескольких лет, намечается тенденция изменения катионного состава коллоидного комплекса в направлении увеличения относительной доли Mg2+ и Na+,т.е. развития явлений осолонцевания. Декальцирование коллоидного комплекса свойственно в большей или меньшей степени всей бескарбонатной толще профиля.

По данным И.С. Кауричева (1982), вызванное орошением изменение условий функционирования черноземов не выводит их на настоящем этапе из автоморфного режима.

Ненормированный режим орошения в почвенном профиле создает условия для прямых непродуктивных инфильтрационных потерь поливных вод и питательных элементов.

В профиле орошаемых черноземов происходят довольно значительные изменения в соотношении их водной, воздушной и твердой фаз. Суммарный эффект всех этих изменений выражается в уменьшении буферности черноземов в отношении переувлажнения. Заметно выражена тенденция снижения их водопроницаемости, особенно в нижних горизонтах.

Изменение гидрологического состояния и сложения черноземов сказывается на их теплофизических свойствах и температурном режиме.

Плодородие и мелиоративное состояние почв, их способность противостоять различным антропогенным воздействиям сильно зависят от их агрегатного состава. Отмечается ухудшение структурного состояния черноземов при длительном орошении: увеличение глыбистости, снижение водопрочности почвенных агрегатов, слитизацию.

Улучшение водного режима почв путем орошения стимулирует жизнедеятельность почвенной микрофлоры, в результате чего могут усиливаться процессы минерализации органических веществ (В.П. Панфилов и другие, 1988).

Таким образом, при неконтролируемом использовании оросительной воды, эксплуатации сельскохозяйственной техники происходит деградация свойств черноземов. Она усиливается при длительной механической обработки в условиях применения низких доз органических и минеральных удобрений.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследования были выбраны участок пашни на территории ОПХ ДонГАУ Октябрьского района Ростовской области и целинная почва ООПТ «Персиановская степь». Исследуемые участки находятся на расстоянии 20 м друг от друга. Пашня распахивается более ста лет, и при этом используется система основной обработки со стандартным набором агроприемов. Чернозем обыкновенный ООПТ «Персиановская степь» может служить эталоном сравнения для обширных площадей занятых аналогичными почвами. ООПТ «Персиановская степь» представляет собой один из последних целинных участков, расположенных на водоразделах. Он никогда не распахивался, лишь иногда, раз в несколько лет он подвергается сенокошению, которое заменяет стравливание растительности дикими животными (Казеев и др., 2004).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучена активность ферментов класса оксидоредуктаз (каталаза, дегидрогеназа).

Определение ферментативной активности почв основано на учете количества переработанного в процессе реакции субстрата или образования продукта реакции. На основании многочисленных исследований, проведенных для различных типов почв, рекомендуется определение активности ферментов проводить одинаковой навеской (1 г) свежей воздушно-сухой, очищенной от растительных остатков и камней почвы, просеянной через сито диаметром отверстий 1 мм, при постоянной температуре 30°С (кроме каталазы – 20°С, активность которой определяется газометрически), при оптимальном значении рН для действия фермента. Обязательно необходим анализ контрольных образцов (образцы, стерилизованные в течение 3 часов в сушильном шкафу при 180°С) для установления каталитической активности почвы и контроль для определения чистоты реактивов. Активность ферментов следует выражать в одинаковых единицах продукта реакции на определённый вес почвы (Казеев, Колесников, 1997; Казеев и др., 2003). В данном исследовании активность почвенных ферментов изучалась при естественной реакции среды почвы. Повторность опытов — 3-9 кратная.

Активность каталазы и дегидрогеназы изучалась по методике Галстяна (1978).

Каталаза (Н₂О₂ : Н₂О₂ – оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.6.) катализирует реакцию разложения перекиси водорода с образованием воды и молекулярного кислорода:

Н₂О₂ + Н₂О₂ → О₂ + 2Н₂О

Метод определения каталазной активности почвы основан на измерении скорости распада перекиси водорода при взаимодействии её с почвой по объёму выделяющегося кислорода (газометрический метод).

Опыт проводился при температуре 18-21^оС. Активность каталазы выражают в миллилитрах О₂ , выделяющегося за 1 мин на 1г почвы.

Дегидрогеназы (субстрат: НАД-оксидоредуктаза. КФ 1.1.1.) катализируют реакции отщепления водорода, т.е. дегидрирования органических веществ, и выполняют роль промежуточных переносчиков водорода. Активность дегидрогеназы выражают в мл трифенилформазана (ТТФ) на 10 г почвы за 24 часа.

Для изучения гумусного состояния почв применяется большой набор показателей. В данной работе определяли общий гумус по методу И.В. Тюрина в модификации Никитина (Практикум…, 1989; Казеев и др. 1997, 2003). Метод основан на окислении органического вещества почвы хромовой смесью в сильнокислой среде при нагревании в сушильном шкафу до 150^оС. Углерод определяется по оптической плотности, с последующим сравнением с калибровочным графиком. Повторность 3-6 кратная.

Полученные данные были подвергнуты вариационно-статистической обработке. Достоверность результатов проверялась с использованием однофакторного дисперсионного анализа (Дмитриев, 1995).

Численность бактерий устанавливали методом прямого счета.