Продуктивность агроэкосистем и ее связь с динамикой плодородия почвНИР

The productivity of agroecosystems and its relationship with the dynamics of soil fertility

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Динамика биогенных микроэлементов и токсичных металлов в агроэкосистемах
Результаты этапа: Проведенные исследования позволили сформулировать общие закономерности динамики и состояния тяжелых металлов (ТМ) и микроэлементов (МЭ) в агроценозах на дерново-подзолистых почвах различного гранулометрического состава при длительном внесении разных форм удобрений. Длительное применения удобрений оказывает существенное влияние на динамику и состояние ТМ и МЭ в почвах агроэкосистем (наряду с другими важными природными и техногенными факторами).  Влияние удобрений на показатели состояния ТМ и МЭ связано с присутствием в них примесей данных элементов (в зависимости от вида и формы), а также с воздействием удобрений на почвообразовательные процессы и свойства почвы.  Набор и содержание примесей химических элементов в минеральных удобрениях зависят от состава исходного сырья и технологии его переработки. Основные примеси в фосфорных удобрениях из отечественного сырья – стронций и фтор. Уровень ТМ и, особенно кадмия, в удобрениях из отечественного сырья значительно ниже, чем в удобрениях из сырья зарубежных месторождений.  При значительных различиях в количестве атмосферных выпадений ТМ (до порядка и более), а также в системе применяемых минеральных удобрений (виды, формы, сырьё, дозы) по основным источникам поступления в агроэкосистемы, расположенные вблизи крупных городов, выделены 3 группы ТМ и неметаллов: 1) в поступлениях основная роль принадлежит атмосферным выпадениям – свинец и цинк; 2) главная приходная статья – удобрения (стронций, фтор (фосфорные), в меньшей степени кадмий); 3) уровень поступления из удобрений и атмосферных выпадений для агроэкосистем сопоставим, за исключением агроландшафтов с повышенной аэротехногенной нагрузкой, где доминируют, как источник поступления, атмосферные выпадения – большинство ТМ.  Длительное применение удобрений на дерново-подзолистых почвах вызывает в пахотных горизонтах достоверное накопление многих ТМ, МЭ и др. элементов. Это накопление зависит от форм применяемых удобрений (для стронция, марганца, титана, цинка, хрома, мышьяка и фтора), исходного сырья удобрений (для циркония, бора) и наиболее четко проявляется в почвах тяжелого гранулометрического состава.  Длительное внесение в дерново-подзолистые почвы минеральных удобрений приводит к усилению внутрипочвенного выветривания, что сопровождается усилением профильной дифференциации по содержанию многих ТМ и МЭ, особенно в легких почвах. Это отражается на фракционном составе соединений ТМ в почвах и приводит к снижению количества фракции ТМ и МЭ, связанных с силикатными минералами, то есть к повышению ближнего резерва МЭ и ТМ в почвах. Периодическое известкование приводит к значительному снижению количества свободного железа (и интенсивности внутрипочвенного выветривания).  Стронций относится к элементам, показатели состояния которых в почвах агроэкосистем наиболее четко зависят от форм применяемых удобрений. Длительное внесение суперфосфатов (Рс и Рсд) в составе полного минерального удобрения приводит к увеличению подвижных соединений стронция и снижению соотношения Ca : Sr во всем профиле дерново-подзолистых почв. Соотношение Ca : Sr служит индикатором стронциевых аномалий, приводящих к патологиям человека и животных. Поступающий с удобрениями стронций накапливается в составе обменных и специфически сорбированных соединений. Длительное применение простого суперфосфата (Рс), изготовленного из апатитового концентрата, приводит к достоверному и значительному накоплению стронция и снижению соотношения Ca : Sr во всех сельскохозяйственных культурах. Последствия применения обогащенных стронцием удобрений (Рс) проявляются длительное время.  Накопление ТМ сельскохозяйственными культурами зависит от факторов, определяющих состояние ТМ в почвах, от уровня аэротехногенной нагрузки на растения, а также от биологических особенностей культуры и связанного с ними типа поглощения ТМ (отражательный, индикаторный и аккумулятивный). Зерно всех зерновых культур (тип поглощения отражательный), выращенных на дерново-подзолистых почвах с разным сочетанием природных, техногенных и антропогенных (формы, дозы удобрений) факторов, имеет относительно низкую (значительно ниже ПДК) концентрацию ТМ. В растениях или их органах с индикаторным типом накопления ТМ (травы, солома некоторых зерновых) концентрация металлов в агроценозах без применения удобрений также не превышала ПДК и ВМДУ, но зависела от количества подвижных соединений металлов в почвах (кадмий, свинец), суммарного уровня атмосферных выпадений (кадмий, хром), а также биологических особенностей вида. При длительном внесении гидролитически и физиологически кислых удобрений для этих культур возможно достижение или даже превышение ВМДУ для никеля, а также хрома (на почвах с повышенным валовым содержанием металла). Длительное систематическое применение минеральных удобрений в течение 70 лет привело к снижению валового содержания Zn в пахотном горизонте дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы. При возрастании доз минеральных удобрений установлено снижение интегрального показателя подвижности элемента (ПБСZn) почвы от 46 до 13. Снижение валового содержания цинка в сочетании со снижением ПБСZn в пахотных горизонтах почв, которое происходит при длительном применении минеральных удобрений свидетельствует о снижении устойчивости почв в этих условиях.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Биологически активные вещества в агроценозе
Результаты этапа: Физиологически активные вещества, стероидные фитогормональные соединения – выполняют трофические и экологические функции в агроценозе, влияют на интенсивность протекания физиологических процессов и поддерживают гомеостаз в растении. Экзогенное фолиарное применение стероидного фитогормона 24- эпибрассинолида (24-ЭБ) оказало влияние на рост и развитие растений ячменя (Hordeum vulgare L.). Существует связь (R≥85%) между эффективностью его действия в зависимости от уровня естественного плодородия и содержания питательных элементов, которые участвуют в обеспечении ответа растений на экзогенные биологически активные вещества (БАВ). Уровень минерального питания на разных типах почв - дерново-подзолистой и чернозёме по разному влияет на урожай зерна, общую биомассу растений и поглощение основных элементов питания при применение 24-ЭБ в низких концентрациях (10-9М - 10-7М). Установлены определённые закономерности его действия на продукционные процессы и зарегистрированы изменения в процессах кущения ячменя, что отражается на формировании продуктивных и непродуктивных колосьев, и как результат на урожайности культуры. 24-Эпибрассинолид (в исследуемых концентрациях 10-9М - 10-7М) обладает высокой биологической активностью. Экзогенное применение препаратов с д.в. 24-ЭБ ведёт не только к повышению урожая, но и улучшению качества сельскохозяйственной продукции: повышая содержание витаминов (аскорбиновой кислоты) и сахаридов в корнеплодах (свекла столовая, морковь), крахмала в картофеле, а также снижения концентрации нитратов в растительных продуктах. Установленные закономерности связаны с основными механизмами действия 24-эпибрассинолида. Высокая биологическая активность соединения ведёт к повышению активности процессов метаболизма в растении. Возрастает интенсивность процессов фотосинтеза, о чем свидетельствуют результаты повышения содержания хлорофилла и каротиноидов. Мобилизуются процессы синтеза запасных белков в репродуктивных органах на фоне снижения содержания общего азота в зерне и надземной массе ячменя. Изучение применения 24-ЭБ совместно с применением пестицидов в агроценозе, подтвердило его протекторные свойства. 24-ЭБ в концентрации 10–8М с инсектицидом Актара (д.в. тиаметоксам) оказывает протекторное действие, особенно в случае высоких концентраций инсектицида. Совместное применение Глина (д.в. хлорсульфурон) и регулятора роста «Эпин-Экстра» (д.в. 24-эпибрассинолид) снимает проявление фитотоксичности гербицида в почве и сопровождается повышением качества картофеля (увеличением содержания крахмала). Наилучший эффект достигается в случае применения максимально рекомендованной концентрации по регулятору роста (12.5 мг/га). Оценка возможности использования стероидного фитогормона 24-ЭБ и препаратов на его основе для снижения токсического действия пестицидов на растения обосновывает необходимость их совместного использования. Результаты исследования 24-ЭБ как биологически активного вещества свидетельствуют о целесообразности изучения данных соединений с целью их рационального использования в практике сельского хозяйства.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Агрохимия и биологическая активность почв
Результаты этапа: Проведена сравнительная оценка микробоценоза чернозема выщелоченного в ризосфере Zea mays в условиях монокультуры и в севообороте на разных агрохимических фонах. Показано, что и в монокультуре, и в севообороте сложилась специфическая устойчивая ассоциация микроорганизмов, состоящая из аэробных (Mycobacterium spp./Rhodococcus spp.) и анаэробных (Propionibacterium spp.) бактерий, где аэробная часть представлена гидролитически активными актинобактериями. Благодаря трофическим взаимосвязям отдельных групп в этом сообществе и сбалансированности соотношения аэробов и анаэробов обеспечивается поддержание стабильного состояния агроценоза в отношении автохтонного органического вещества, которое анаэробные виды не минерализуют до конечных продуктов. Трудно разлагаемые растительные остатки, прижизненные метаболиты и корневые экссудаты растений активно минерализуются микробоценозом, поддерживая функционирование как самих микроорганизмов, так и растений агроэкосистемы. Полное минеральное удобрение выступает мощным регулирующим фактором структуры микробоценоза, поддерживая аэробно-анаэробное равновесие и в конечном итоге защищая автохтонное органическое вещество почвы. Высокая продуктивность кукурузы (в монокультуре и в севообороте) на фоне полного минерального удобрения способствовала увеличению численности микроорганизмов к концу вегетации растений в 1,2 – 2,2 раза по сравнению с контролем и повышало разнообразие микробоценоза. Длительное внесение полного минерального удобрения, в целом, оказывало достоверное положительное влияние на биомассу арбускулярных микоризных грибов. Она увеличивалась в 1,3 – 3,0 раза в зависимости от варианта опыта по сравнению с контролем. Обеспеченность почв питательными элементами в значительной мере обуславливала урожайность кукурузы: отмечен высокий коэффициент корреляции (r) с урожайностью зеленой массы и зерна, соответственно: для подвижного азота r = 0,74 − 0,82, фосфора r = 0,73 − 0,78 и калия r = 0,77 − 0,76. Севооборот не оказал специфического влияния на структуру микробного сообщества, но показано, что в условиях монокультуры микробоценоз более отзывчив на минеральные удобрения − происходит перераспределение численности и соотношения популяций бактерий, доминирующих в сообществах, которые обеспечивают минерализацию растительных остатков и потребление углеводов корневых экссудатов растений, т.е. микробоценоз адаптируется. В целом, сделано заключение, что возделывание кукурузы в монокультуре в агроэкологических условиях Центрального Черноземья возможно без значительного ухудшения биологических и агрохимических свойств почвы и её продуктивности при условии внесения полного минерального удобрения в дозе 60 кг/га (N60P60K60).
4 1 января 2019 г.-31 января 2019 г. Агрохимия декоративных культур в городском ландшафте
Результаты этапа: Использование агрохимических средств в городских ландшафтах весьма многогранно и учитывает специфику конкретных условий. Поэтому для изучения этого вопроса на кафедре было выбрано несколько направлений. Поскольку принципы агрохимического сопровождения выращивания декоративных культур разработаны недостаточно, в условиях полевого мелкоделяночного опыта изучали применение минеральных (фосфорных) удобрений и мелиоранта (доломитовой муки) на рост, развитие, обеспеченность растений элементами минерального питания и декоративные качества саженцев кустарниковой культуры - сирени обыкновенной. Плодородие почв и применение минеральных удобрений и извести оказывают решающее влияние на развитие и декоративное качество саженцев сирени обыкновенной. На фоне внесения минеральных удобрений с выровненным соотношением NPK у растений сирени усилился рост, увеличилась масса листвы, содержание азота и хлорофилла в листьях. Не было отмечено значимого влияния на содержание фосфора и калия в листьях. Вероятно, доза внесённых удобрений была недостаточной и полностью была израсходована в период активного роста побегов и листьев. Внесение удобрений с высокой долей фосфора оказало отрицательное влияние на декоративные качества сирени – наблюдалось снижение прироста и облиствлённости побегов текущего года, снижение массы листьев и содержания хлорофилла. Причиной этого может быть ухудшение соотношения азота и фосфора в листьях. Для большинства высших наземных растений характерно постоянство этого соотношения [4; 11]. Когда оно близко к оптимальному (N:P = 10:1), увеличение дозы фосфора должно приводить к усилению поглощения азота и усилению роста биомассы, но при резком отклонении от оптимума наблюдается обратный эффект. Известкование оказывает выраженный отрицательный эффект на биометрические показатели и химический состав листьев сирени только при внесении высоких доз, перекрывающих величину гидролитической кислотности. Оптимальной реакцией почвенной среды для сирени считается интервал от слабокислой до нейтральной (pH = 6-7). В литературе имеются сведения, что отклонения значений кислотности почвы от оптимальных приводит к потускнению окраски соцветий. Применение минеральных удобрений с выровненным соотношением азота, фосфора и калия позволяет значительно усилить рост и повысить декоративные качества растений сирени. Особенно актуально ежегодное весеннее применение удобрений перед началом активного формирования вегетативной массы. Тем не менее, доза в 30 г д.в. /м2 (300 кг/га) является недостаточной для поддержания высокой степени декоративности растений в течение всего вегетационного сезона. Высокие дозы извести и фосфора оказывают отрицательное влияние на рост и развитие сирени. Из-за изменения pH почвенной среды и нарушения соотношения N:P в листьях может снижаться доступность некоторых микроэлементов, что снизит фотосинтетическую активность листьев и замедлит образование прироста и формирование хорошо облиствлённых саженцев. Установлено, что фолиарное применение препаратов на основе гуминовых веществ, как отдельно, так и на фоне действия и последействия NPK оказывает существенное положительное влияние на прирост биомассы газонных трав, способствует увеличению проективного покрытия опытных участков; стимулирует усвоение основных элементов питания по сравнению с контролем,; способствует повышению содержания дисахаридов и общего количества сахаридов в биомассе трав, что свидетельствует о повышении стрессоустойчивости растений. Использование гуминовых препаратов положительно влияет на основные показатели состояния газонных трав, которые необходимо учитывать для получения здорового и устойчивого газона в городских условиях. Для обеспечения оптимального питания трав в систему удобрения газонов необходимо вводить микроудобрения. Составленные для создания экстенсивных кровель два вида субстратов, состоящих из одинаковых компонентов, но в разных объемных пропорциях, были изучены в опытных условиях. Оба они оказались пригодными по агрохимическим характеристикам для большинства растений, в том числе для высаживаемого очитка едкого. Результаты изучения их агрофизических свойств показали существенную разницу во влагоудерживающей способности, степени набухания, температуропроводности, влагопроводности и фильтрационной способности субстратов. Субстрат 2 с большей температуропроводностью, влагопроводностью и фильтрационной способностью признан оптимальным для выращивания очитка на эксплуатируемой кровле. Результаты проведёных исследований в дальнейшем могут быть использованы для проведения озеленительных работ на крышах зданий средней полосы России, а также для сравнительного анализа других почвенных субстратов и анализа применимости их на практике.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Агрохимия в рекультивации загрязненных и нарушенных земель
Результаты этапа: Проведены исследования особенностей минерального питания растений (как ремедиантов, так и сельскохозяйственных культур), возделываемых на различных почвах с разной степенью нефтезагрязнения, на основе сравнительного анализа агрохимических свойств и ферментативной активности почв, продуктивности и качества растительной биомассы, фитотоксичности поллютантов. В условиях вегетационного опыта изучено влияние нефтезагрязнения на продуктивность ячменя, доступность для растений макро- и микроэлементов и ферментативную активность чернозема типичного, чернозема выщелоченного, серой лесной и дерново-подзолистой почв. Выявлено, что нефтезагрязнение негативно влияет на рост растений ячменя, задерживая сроки прохождения фенологических фаз развития по сравнению с контрольным вариантом на 1 сутки в черноземах и серой лесной почве, на 2 суток в дерново-подзолистой почве. Нефтезагрязнение существенно снижает надземную (на 50-85%) и корневую (на 45-80 %) биомассу ячменя, несмотря на то, что содержание азота, фосфора и калия в растениях ячменя находиться на уровне близком к оптимальному. Изменения доступности элементов минерального питания растений при созданных уровнях нефтезагрязнения, во всех исследуемых почвах не произошло. Из изученного набора ферментов наибольшую чувствительность к загрязнению почвы нефтепродуктами проявила дегидрагеназа, ее активность возрастала прямо пропорционально росту уровня загрязнения. Для ферментов группы гидролаз (уреазы и фосфатазы) наблюдалась тенденция к угнетению активности по мере увеличения дозы загрязнителя. Поскольку значимого ухудшения агрохимических и биологических свойств почвы при загрязнении чернозема типичного, чернозема выщелоченного, серой лесной и дерново-подзолистой почв нефтепродуктами в дозах 2000 мг/кг и 3000 мг/кг не зафиксировано, основным фактором, угнетающим рост и развитие растений ячменя, является прямое токсическое действие нефтепродуктов. Нефтезагрязнение в дозах 2000 и 3000 мг/кг чернозема типичного не оказало существенного влияния на уровень обеспеченности растений яровой пшеницы легкогидролизуемыми, нитратными и аммонийными формами азота. Снижение содержания подвижных форм фосфора в почве по сравнению с контрольным вариантом на 10% установлено только при дозе НП в 3000 мг/кг почвы, тем не менее, уровень обеспеченности растений оставался высоким. Выявлено отрицательное влияние возрастающих доз НП на содержание обменных форм калия в почве: 10,5% для дозы 1000 мг НП/кг почвы и 30,5% для дозы 3000 мг НП/кг почвы по сравнению с контролем. Снижение продуктивности, оценённое по вегетативной массе яровой пшеницы, наблюдалось только на варианте 3000 мг НП/кг почвы и составило 9% по сравнению с контрольным вариантом. Значимое уменьшение корневой биомассы зафиксировано в обоих нефтезагрязненных вариантах (на 13,5 и 32% по сравнению с контролем, соответственно). Негативное влияние НП на накопление макроэлементов в надземной биомассе проявилось только для фосфора в варианте с дозой НП 3000 мг/кг почвы (уменьшение составило 24 %). Разницы в содержании азота и фосфора в корневой массе между вариантами не наблюдалось. Сочетание нефтезагрязнения и высокой степени обводненности торфяной олиготрофной почвы приводит к существенному снижению доступности питательных элементов по сравнению с таежной слабодифференцированной почвой. Продуктивность сеяных трав снижается одновременно с ростом концентрации нефтепродуктов, что особенно ярко проявляется на минеральной почве. Низкий уровень обеспеченности питательными элементами исследуемых загрязненных почв в конце этапа фитомелиорации свидетельствует о необходимости дробного внесения минеральных удобрений в течение всего вегетационного периода, что особенно актуально на олиготрофной торфяной почве. Интенсивность применения технологий фитомелиорации (способы, дозы внесения минеральных удобрений, частота рыхления почвы) недостаточна для необходимого уровня снижения концентрации НП в почве за один вегетационный сезон. Для достижения максимальной эмиссии углекислого газа в нефтезагрязненной олиготрофной почве при применении удобрений необходимо известкование по полной НГ, а в эвтрофной торфяной почве для этого достаточно нейтрализации половины НГ. Внесение удобрений в олиготрофную торфяную почву без предварительной нейтрализации почвенной кислотности не оказало существенного влияния на интенсивность эмиссии СО2, а в эвтрофной торфяной почве увеличило ее на 45 %. Двукратное повышение дозы азотно-фосфорных удобрений не привело к значимому увеличению эмиссии углекислого газа по сравнению с однократной дозой ни в одной из изученных почв. Фитотестирование показало, что исследуемые дозы в 2000 и 3000 мг/кг нефтезагрязнения агродерново-подзолистой, агротемногумусовой аллювиальной глееватой почвы и агрочернозема, не оказали существенного токсического действия на прорастание семян пшеницы. Степень токсичности колеблется от «V-практически не токсичные» до «IV-малотоксичные», следовательно, уровень нефтезагрязнения в 3000 мг/кг почвы может рассматриваться в качестве допустимого остаточного содержания в изученных почвах. При солевом и нефтесолевом загрязнении наблюдалось существенное угнетение прорастания семян пшеницы в агродерново-подзолистой почве и агрочерноземе глинисто-иллювиальном. В агротемногумусовой аллювиальной глееватой почве нефтесолевое загрязнение оказало меньшее токсическое действие. Таким образом, даже на фоне слабого засоления дозы нефтезагрязнения в 2000 и 3000 мг/кг почвы становятся токсичными для проростков в агродерново-подзолистой почве и агрочерноземе глинисто-иллювиальном, и остаются допустимыми в агротемногумусовой аллювиальной глееватой почве. При нефтяном и нефтесолевом загрязнении в изученных дозах фитотоксическое действие поллютантов усиливается в ряду: агротемногумусовая аллювиальная глееватая почва < агрочернозем глинисто-иллювиальный < агродерново-подзолистая почва.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. Таблицы к отчету за 2018 год Otchet_2018_Tablitsyi.pdf 183,4 КБ 10 декабря 2018 [ArzamazovaAV]
2. Рисунки к отчету за 2018 год Otchet_2018_Risunki.pdf 760,0 КБ 10 декабря 2018 [ArzamazovaAV]
7. Рисунки к отчету за 2017 год Risunki_k_otchetu_za_2017_god.pdf 312,8 КБ 18 декабря 2017 [ArzamazovaAV]
8. Таблицы к отчету за 2017 год Tablitsyi_k_otchetu_za_2017_god.pdf 281,4 КБ 18 декабря 2017 [ArzamazovaAV]