doi: 10.15389/agrobiology.2022.3.476rus
УДК 631.4/.6:631.95:57.042
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПОЛИФЕНОЛОКСИДАЗНОЙ И ПЕРОКСИДАЗНОЙ АКТИВНОСТИ АГРОДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ РАЗНОЙ ОКУЛЬТУРЕННОСТИ С БИОУГЛЕМ
Е.Я. РИЖИЯ1 ✉, Л.В. БОЙЦОВА1, В.Е. ВЕРТЕБНЫЙ1, J. HORAK2,
М.А. МОСКВИН1, В.И. ДУБОВИЦКАЯ1, Ю.В. ХОМЯКОВ1
Биоуголь относится к новым видам органогенных мелиорантов. Он производится посредством высокотемпературного бескислородного пиролиза из возобновляемой биомассы для секвестрации углерода в почвах и снижения эмиссии парниковых газов. Перспектива использования биоугля на землях сельскохозяйственного назначения обусловливает пристальное внимание к различным аспектам его воздействия на свойства и функционирование компонентов агроценозов. В представленной работе мы впервые установили, что двухлетнее нахождение биоугля в дерново-подзолистой супесчаной почве способствовало изменчивости функциональных групп на его поверхности, что выразилось в росте количества гидроксильных (–ОН), карбонильных (С=О) и карбоксилатных (СОО–) групп по сравнению с исходным биоуглем и в тенденции к увеличению минерализации органического вещества, исходя из активности полифенолоксидазы и пероксидазы. Цель работы — оценка изменчивости полифенолоксидазной и пероксидазной активности в агродерново-подзолистой почве с разной степенью окультуренности при внесении в нее биоугля, а также определение окисленности поверхности биоугля после инкубации в почве. Полевые исследования проводили в течение вегетационных периодов 2019 и 2020 годов на территории экспериментальной опытной станции Агрофизического научно-исследовательского института (пос. Меньково, Гатчинский р-н, Ленинградская обл.). Опытные делянки размером 4 м2 размещали на почве со средней (СОК) и высокой (ВОК) степенью окультуренности. Схема опыта включала по два варианта в 3-кратной повторности: контроль (без биоугля) и опыт (почва с биоуглем в дозе 20 т/га, который вносили в верхний слой 0-10 см). Использовали древесный уголь из березы (Betula pendula Roth) сорта Премиум, произведенный быстрым пиролизом при температуре 600 °C. Химическая характеристика биоугля: Сорг. — 88,9 %, Nобщ. — 0,43 %, H — 3,2 %, O — 5,1 %, pHН2О 8,3, Wгв — 3,1 %, зольность — 1,8 %. В 2019 году на делянках возделывали викоовсяную смесь (вика посевная яровая Vicia sativa L. сорта Льговский и овес яровой Avеna satíva L. сорта Боррус в соотношении 30 % к 70 %) из расчета 200 кг/га (или по 85 г на 4 м2). В 2020 году возделывался люпин белый (Lupinus albus L.) сорта Дега как сидерат под озимую пшеницу из расчета 200 кг/га. Отбор почвенных образцов и биоугля при помощи почвенного бура Эндельмана («Royal Eijkelkamp B.V.», Нидерланды) из слоя гумусового горизонта 0-10 см проводили с интервалом 14 сут с мая по август включительно. Активность пероксидазы и полифенолоксидазы изучали фотоколориметрическим методом по А.Ш. Галстяну соответственно при λ = 440 нм и λ = 590 нм. Расчет коэффициента гумификации (Кгум.) проводился по отношению активности полифенолоксидазы (ПФО) к активности пероксидазы (ПО). Для оценки временных изменений окисленности поверхности биоугля определяли содержание кислородсодержащих групп методом ИК-спектрометрии (спектрометр ФСМ 2202 типа Майкельсона, «Инфраспек», Россия). Была выявлена общая тенденция повышения активности изучаемых ферментов при внесении биоугля в почву: в среднем на 13 % (средняя степень окультуренности) и 12 % (высокая степень окультуренности). Активность ПО была в среднем в 1,5 раза выше, чем активность ПФО, и статистически значимо (p < 0,05) зависела от степени окультуренности почвы. Кгум. в почве с СОК был примерно на 20 % ниже, чем в почве с ВОК, где сформировались оптимальные условия (температура, влажность, количество органического вещества) для процессов синтеза гумуса. Оказалось, что во всех вариантах опыта Кгум. < 1, что свидетельствует о преобладании процессов минерализации гумусовых веществ в почве над их иммобилизацией. При этом биоуголь усиливал минерализацию органического вещества в среднем на 11,5 % по сравнению с почвами без биоугля. После инкубации биоугля в почве в течение 17 мес отмечена тенденция роста количества гидроксильных (–ОН), карбонильных (С=О) и карбоксилатных (СОО–) групп по сравнению с исходным биоуглем, что согласуется с данными по увеличению активности ПФО и ПО в исследуемых почвах. Основываясь на результатах изменения значений ПФО, ПО, ИК-спектров, можно утверждать, что внесенный биоуголь оставался в стабильной форме и не оказывал существенного влияния на ферментативную активность почв.
Ключевые слова: дерново-подзолистая супесчаная почва, биоуголь, пероксидаза, КФ 1.11.1.7, полифенолоксидаза, КФ 1.10.3.1, ИК-спектры биоугля.
E.Ya. Rizhiya1 ✉, L.V. Boitsova1, V.E. Vertebniy1, J. Horak2,
M.A. Moskvin1, V.I. Dubovitskaya1, Yu.V. Khomyakov1
Biochars are considered as an attractive tool in agriculture for carbon sequestration and improvement of soil functions. Biochar addition to soils can raise the pH, increase the organic carbon content, enhance nutrient retention, and increase microbial biomass. The introduction of biochar to different soils is an irreversible action. After entering the soil environment, the so called “aging” of biochar begins, due to the water-physical processes occurring in the soil, e.g., moistening, drying, freezing and thawing. Therefore, it is necessary to understand the directions of various changes occurring in the soil when using this ameliorant. The two-year field experiment to study the effect of biochar on the dynamics of some soil enzymes during of biochar aging was performed with the aim to reveal mechanisms of interaction between soil and biochar and to justify the sensitiveness of enzymes on a biochar amendment to the soil. The studied loamy sand Spodosol soil had medium and high soil quality. The experimental design included the soil (control) and the soil with 20 t/ha biochar introduced in the top arable layer (0-10 cm) of 4 m2 plots in 3 replicates. The impact of birch (Betula spp.) biochar produced by fast pyrolysis at 600 °C was studied. Chemical characteristics of the biochar were as follows: Corg. — 88.9 %, Ntot. — 0.43 %, H — 3.2%, O — 5.1 %, pHН2О 8.3, water content — 3.1 %, ash content — 1.8 %. In 2019, a seed mixture of oat (Avеna satíva L.) cv. Borrus and common vetch (Vicia sativa L.) L’govskii cv. was cultivated on the plots at the rate of 200 kg/ha (or 85 g per 4 m2). In 2020, white lupine (Lupinus albus L.) cv. Dega was cultivated as green manure for winter wheat at the rate of 200 kg/ha. Soil and biochar samples were collected from a 0-10 cm layer of the humus horizon in May to August (at 14-day intervals) with an Endelman soil drill (Royal Eijkelkamp B.V., the Netherlands). The activity of peroxidase (EC 1.11.1.7) and polyphenoloxidase (EC 1.10.3.1) was assessed by the photocolorimetric method (λ = 440 nm and λ = 590 nm, respectively), and the assessment of temporal changes in the oxidation of the surface of biochar was studied by IR spectrometry (an FSM 2202 Michelson spectrometer, Infraspek, Russia). The biochar was found to increase the activity of the studied enzymes, on average by 12-13 %, as compared to the activity in soils without biochar. The peroxidase activity was on average 1.5 times higher than that of the polyphenoloxidase and significantly (p < 0.05) depended on the degree of soil quality. The ratio of polyphenoloxidase to peroxidase in the soil with medium soil quality was approximately 20 % lower than in the soil with high soil quality, where the conditions (temperature, humidity, amount of organic matter) were optimal for humus synthesis. It was found that all treatments showed the soil humification factor less than 1, which indicates the predominance of the processes of mineralization of humic substances in the soil over their immobilization. The biochar increased the mineralization of organic matter by 11.5 % compared to soils without biochar. Over the two-year experiment, IR spectroscopy revealed a tendency to an increase in the amount of hydroxyl, carbonyl, and carboxylate groups compared to the initial biochar, which is consistent with the data on the increase in the activity of polyphenoloxidase and peroxidase. Our findings confirm that biochar introduced into the loamy sand Spodosol remained stable during two years and did not significantly affect the enzymatic activity of soils.
Keywords: soddy-podzolic sandy loam soil, biochar, peroxidase, EC 1.11.1.7, polyphenol oxidase, EC 1.10.3.1, IR spectra of biochar.
1ФГБНУ Агрофизический научно-исследовательский | Поступила в редакцию |
