CC BY
23
УДК 631.46:631.81:631:43(470.62)
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БУРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИ ПЕРСИКА В КРАСНОДАРСКОМ КРАЕ
Д.В. Струкова, к.б.н, Л.С. Малюкова, д.б.н. ВНИИ цветоводства и субтропических культур, e-mail: [email protected]; [email protected]
Проведен сравнительный анализ комплекса агрогенных изменений бурой лесной слабоненасыщенной почвы при возделывании персика (Persica Mill.) в условиях влажных субтропиков России. По генетическим горизонтам почвенного профиля изучены: гранулометрический состав почв, содержание основных биогенных элементов, тяжелых металлов и гумуса, а также ферментативная активность почв и функциональное биоразнообразие микробного сообщества (методом мультисубстратного тестирования). В сравнении с почвами естественного ценоза показано, что длительное возделывание персика (более 12 лет), сопровождающееся ежегодным применением минеральных удобрений и пестицидов, привело к обеднению почвенного профиля гумусом, азотом, кальцием и магнием. Отмечена тенденция роста содержания в почве валового цинка и меди в 1,3-1,5 раз. Установлено снижение активности инвертазы в поверхностном горизонте почв, уреазы - по профилю почвы с глубины 17 см. Каталазная активность сохранялась на уровне почв естественного биоценоза, состояние микробного сообщества по комплексу показателей характеризовалось как стабильное.
Ключевые слова: бурые лесные почвы, культура персика, минеральные удобрения, гранулометрический состав, ферментативная активность.
AGROECOLOGICAL CONDITION OF BROWN FOREST SOILS ON PEACH CULTIVATION IN KRASNODAR REGION
Ph.D. D.V. Strukova, Dr.Sci. L.S. Malukova
ARSRI for Floriculture and Subtropical Crops, e-mail: [email protected]; [email protected]
A comparative analysis of the complex agrogenic changes of the brown forest lowsaturated soil in the cultivation of peaches (Persica Mill.) in the humid subtropics of Russia. By genetic horizons of the soil profile studied: soil particle size distribution, content of basic nutrients, heavy metals, humus, soil enzymatic activity and functional biodiversity of microbial communities (by multisubstrate testing) It is shown in comparison with the natural soils that long-term cultivation ofpeach (more than 12 years), accompanied by the use of mineral fertilizers and pesticides, has led to depletion of the soil profile humus, nitrogen, calcium and magnesium. The tendency of growth of the gross content of the soil zinc and copper in 1.3-1.5 times. A decrease of invertase activity in the surface layer of soil, urease - the soil profile to a depth of 17 cm. Catalase activity remained at a level of natural biocenosis soil, the state of the microbial community on a range of indicators described as stable.
Keywords: brown forest soils, peach culture, mineral fertilizers, grain size distribution, enzymatic activity.
В России персик выращивают на территории Краснодарского, Ставропольского края, в Нижнем Поволжье и на Северном Кавказе [1]. Эта культура требует повышенного количества основных элементов питания, что обеспечивается ежегодным внесением в почву минеральных удобрений. Возделывание персика также невозможно без мероприятий по защите растений, что может приводить к загрязнению почвы (от 1 до 5 ПДК) остаточными количествами действующих веществ с последующим снижением интенсивности почвенного самоочищения и угнетению функциональной активности почвенной биосреды [2-4].
Сложный рельеф, мелкоконтурность земельных участков и ограниченность почвенных ресурсов для
культивирования персика в зоне Черноморского побережья влажных субтропиков определяют их длительное возделывание на одном месте (более 10-15 лет). Агрогенный прессинг на бурые лесные почвы в этих условиях приводит к изменению агрохимических, физических, биологических свойств, определяющих их уровень плодородия [2-6].
Цель исследований - оценить агроэкологиче-ское состояние бурых лесных почв при длительном ведении культуры персика с применением комплекса агрохимических средств.
Объекты и методы. Исследования проводили с 2008 по 2011 г. на базе опытного поля ФБГНУ ВНИИЦиСК (г. Сочи, Хостинский р-н), где расположен персиковый плодоносящий сад 1996 г. по-
садки. Почва бурая лесная слабоненасыщенная ма-логумусная легкоглинистая плантажированная. Система содержания почвы паро-дерновая, с ежегодной механической обработкой. Минеральные удобрения (нитроаммофоска, аммиачная селитра) для молодых насаждений вносили в дозах N100P50K70, для полновозрастных - N180P90K130 кг; в борьбе с бактериальными и грибными болезнями персиковых деревьев применяли комплекс пестицидов (5-8 обработок): бордоская жидкость, делан, скор, каратэ, фундазол. В качестве фона был взят участок буково-грабового леса, примыкающий к опытно-коллекционным насаждениям, почва бурая лесная слабоненасыщенная малогумусная легкоглинистая.
Для изучения агрохимических и биологических свойств изучаемых почв в осенне-зимний период были заложены разрезы, образцы почв отбирали по генетическим горизонтам. Для оценки пространственной вариабельности агрохимических и биологических свойств почв образцы отбирали в 5 точках с глубины 1-15 см. в них определяли агрохимические показатели: рНщо - потенциометрически; гумус - по Тюрину в модификации Орлова и Гриндель; азот легкогидролизуемый - по Тюрину и Кононовой; фосфор подвижный по Олсену; калий обменный по Масловой; Са2+ и Mg2+ - тригонометрически; влажность - весовым методом; гранулометрический состав - по Качинскому. Валовое содержание тяжелых металлов в почве определяли на спектрометре «Спектроскан Макс G». Ферментативную активность определяли методами Галстяна [7]: каталазы - газо-метрически; фосфатазы, уреазы, инвертазы - колориметрически. Активность разложения целлюлозы определяли аппликационным методом Вострова и Петровой [7]. Исследование функционального разнообразия микробных сообществ почв проводили методом мультисубстратного тестирования [8]. Обработку экспериментальных данных проводили в программах Excel 2000, STATISTICA 6.0.
Результаты исследований. Бурые лесные почвы (в том числе кислые и слабоненасыщенные)
субтропиков России занимают более 50% в составе сельхозугодий зоны Черноморского побережья г. Сочи. Этот тип почв (в естественном сложении) характеризуется значительной мощностью (более 100 см), тяжелым гранулометрическим составом с относительно равномерным распределением различных почвенных фракций по профилю (табл. 1). По всему профилю почва классифицировалась как глина легкая пылеватая. Почва персиковых насаждений также характеризовалась тяжелым гранулометрическим составом, верхний аккумулятивный горизонт классифицировался как глина легкая, однако, в горизонтах А1В, Вt и ВС отмечалось увеличение содержания илистой фракции (почва этих горизонтов классифицировались как глина легкая иловатая), возможно связанное с процессами перераспределения фракций в условиях длительного агрогенеза, что отмечалось Н.В. Козловой [9] для бурых лесных почв чайных плантаций. Почва бу-ково-грабового леса характеризовалась слабощелочной реакцией среды на всю глубину, значительным содержанием обменных Са и Mg по всему профилю. По содержанию гумуса почва классифицировалась как малогумусная, а также характеризовалась высокой обеспеченностью легкогидроли-зуемым азотом, подвижным фосфором и средней обеспеченностью обменным калием (табл. 2).
Под культурой персика (после 12-летнего возделывания) почва характеризовалась более кислыми условиями почвенной среды (показатель кислотности рНН2О был ниже на 0,8-2,0 единиц по всему профилю), что связано как с внесением физиологически кислых минеральных удобрений, так и с исходно более выщелоченной почвообразующей породой. Сумма обменных форм кальция и магния также ниже в 1,4 раза в почве под персиком по сравнению с фоном (табл. 2). Содержание гумуса в почве агроценоза персика было на уровне фона в горизонте Апл, поддержание которого обеспечивалось задернением с периодическим дискованием и внесением минеральных удобрений. Однако в нижележащих горизонтах
1. Гранулометрический состав бурых лесных слабоненасыщенных почв
Горизонт (см) Содержание фракций, % веса абс. сух. почвы
размер фракций, мм > 0,01 физ. песок < 0,01 физ. глина
1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 < 0,001
Буково-грабовый лес
А0А1 (0-6) 5,33 5,65 26,12 11,65 23,88 27,37 37,10 62,90
А1 (6-17) 2,18 5,08 29,17 16,27 19,28 28,02 36,43 63,57
АД (17-35) 1,89 4,38 26,49 12,69 23,40 31,15 32,76 67,24
Bt (35-59) 1,97 7,56 24,63 11,46 23,52 30,86 34,16 65,84
BC (59-100) 1,63 7,48 25,01 10,55 24,18 31,15 34,12 65,88
Персик N180P90K130
АdАl (0-3) 5,03 12,77 24,72 10,46 17,93 29,09 42,52 57,48
Апл (3-17) 4,18 12,43 23,32 10,50 19,78 29,79 39,93 60,07
АД (17-45) 1,56 7,21 24,33 9,57 20,34 36,99 33,10 66,90
Bt (45-70) 1,31 8,58 24,18 9,69 20,14 36,10 34,07 65,93
BC (70-85) 1,12 8,27 21,38 9,11 19,80 40,32 30,77 69,23
2. Агрохимические свойства бурых лесных
(с глубины 17 см и ниже) отмечено снижение содержания гумуса и азота по сравнению с почвой фона, что отмечалось и Т.Д. Бесединой с соавторами [4]. По содержанию подвижного фосфора установлено некоторое снижение по сравнению с фоном по всему профилю, за исключением горизонта Апл. Содержание обменного калия существенно увеличивалось по всему профилю (в 1,5-2,0 раза).
Минеральные удобрения наряду с макроэлементами (ЫРК) служат источником поступления цинка, меди, железа, никеля, свинца, содержание которых в почве может увеличиваться при длительном их применении. Дополнительное количество меди, а также ряда других элементов может поступать в почву со средствами защиты растений [10]. В связи с этим при длительном ведении агроценоза необходим контроль содержания потенциально опасных химических элементов в почве. Валовое содержание цинка в пахотном слое почв России колеблется в пределах 5-80 мг/кг [11]. В изученных бурых лесных слабоненасыщенных почвах этот уровень несколько выше, соизмерим с содержанием цинка в бурых лесных кислых почвах этого же региона [10] и не превышает ПДК (табл. 3). В почве под персиком при исходно более низком содержании цинка в почвообразующей породе, в верхних почвенных горизонтах АЙА1 и Апл. (плантажированном) его содержание существенно выше и превышает ПДК (110 мг/кг). Изученные почвы естественных и агрогенных ценозов характеризуются повышенным содержание меди, превышающем ПДК (23 мг/кг). В верхних почвенных горизонтах агроценоза валовое содержание меди в среднем в 1,5 раза выше почв фоновой территории, что является результатом ее ежегодного поступления с бордоской жидкостью. Почвы агроцено-зов по сравнению с фоновой территорией также характеризовались более высоким содержанием валовых марганца и железа, что может быть обусловлено лито-логическими особенностями ландшафта. Содержание ряда других тяжелых металлов, в том числе и токсичных, представленное в таблице 3, превышало средние уровни содержания этих элементов для других типов
почв, было соизмеримо с бурыми лесными кислыми почвами [5].
Для представления о биологическом состоянии и процессах трансформации основных органических соединений была исследована их ферментативная активность. Инвертаза участвует в биохимических превращениях углеводов, которые содержатся в почвенном органическом веществе, микроорганизмах и растениях в значительном количестве и служит индикатором экологического состояния почв. Ее активность в почве, как правило, убывает вниз по профилю, коррелирует с содержанием гумуса [12], что характерно и для изученных бурых лесных слабоненасыщенных почв естественного ценоза (г = 0,72). В почве персикового агроценоза по почвенному профилю (за исключением поверхностного горизонта), инвертазная активность находилась на уровне фона. В поверхностном горизонте, который служит буферной зоной на пути поступления минеральных удобрений и пестицидов, активность инвертазы существенно снижалась (на порядок) по сравнению с фоном, что отмечалось и для других типов почв [6, 12] и может быть связано с воздействием тяжелых металлов, которые являются ингибиторами ряда ферментов.
Уреаза участвует в процессах азотного обмена в почве, уровень ее активности проявляет тесную связь с содержанием органического вещества [13]. Активность уреазы рассматривается как информативный показатель влияния длительного воздействия минеральных удобрений, который отражает как негативное влияние применения высоких доз, так и положительное воздействие окультуривания почв [13, 14]. Активность уреазы в почве под персиковым садом в верхних горизонтах АЙА1 и Апл находилась на уровне почвы леса, а далее вниз по профилю отмечено ее снижение по сравнению с фоном, что связано с обеднением почвенного профиля гумусом и азотом (г = 0,75 и 0,74, соответственно).
Изученные бурые лесные почвы характеризовались очень низкой активностью фосфатазы. В верхних горизонтах профилей почвы буково-грабового леса - 0,13-0,11 и почвы персикового сада - 0,15-0,20 мг Р205/100 г почвы за 1 час, что отмечалось нами и для подтипа бурых лесных кислых почв зоны [15].
Можно предположить, что в целом низкая активность фосфатазы, характерная для этого зонального типа почв, связана с сильной адсорбцией фосфатаз почвенными минералами, что отмечалось для дерново-подзолистых и серых лесных почв [12], а также с избыточным содержанием меди, которая согласно литературным данным ингибирует активность этого фермента [16]. Фермент каталаза характеризует протекание окислительно-восстановительных реакций в почве,
слабоненасыщенных почв
Горизонт (см) рНН2О Гумус Цт P2О5 ^О Са2+ Мg2+
% мг/кг ммоль-экв/100 г
Буково-грабовый лес
А0А1 (0-6) 7,4 н.о. 132 384 320 33,6 2,5
А (6-17) 7,6 3,5 100 254 206 26,6 2,7
А1Б( (17-35) 7,7 2,7 81 105 174 25,8 2,3
В( (35-59) 7,7 2,2 65 71 159 26,2 1,9
ВС (59-100) 7,8 2,1 41 77 143 25,3 2,3
Персик N180P90K.n0
АА (0-3) 6,6 н.о. 176 226 626 23,7 2,3
Апл (3-17) 6,6 3,7 85 276 363 25,8 2,1
АД (17-45) 6,6 2,0 43 93 231 21,0 1,4
Б( (45-70) 6,5 1,6 59 29 197 22,0 1,0
ВС (70-85) 5,8 1,4 67 10 205 22,9 1,4
3. Валовое содержание ТМ в бурых лесных слабоненасыщенных почвах, мг/кг
Горизонт Pb Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr
Буково-грабовый лес
А0А1 <25 104±18 54±25 53±21 19±9 36967±3166 581±40 99±23
А! <25 105±18 68±29 58±22 22±10 38543±3267 509±37 107±24
АА <25 102±18 67±29 57±21 23±10 38439±3260 485±36 117±25
Bt <25 102±18 61±27 59±22 33±13 41254±3440 537±38 113±25
BC <25 105±18 67±29 58±22 28±12 40622±3400 565±39 117±25
Персик N180P90K130
АdА1 <25 135±23 91±41 55±21 24±10 40843±3414 950±51 105±24
Апл <25 127±22 79±37 53±21 22±10 41429±3451 915±50 111±24
АА <25 94±16 70±29 60±22 33±13 44539±3650 1004±53 107±24
Bt 28±17 90±16 63±28 51±20 28±12 42859±3543 948±51 100±23
BC <25 87±15 63±28 51±20 33±13 46338±3766 900±50 109±24
используется как показатель стабильности микробоценоза. Этот фермент в бурых лесных почвах проявляет довольно высокую чувствительность к агроприемам, снижаясь при внесении минеральных удобрений [6, 13]. Для изученного подтипа бурых лесных слабоненасыщенных почв каталазная активность сохранялась на уровне фона по почвенному профилю, за исключением некоторого снижения в горизонте АаА1.
Агрогенное воздействие в меньшей степени отразилось на показателях функционального биоразнообразия микробного сообщества. Так, индекс Шеннона для горизонтов почвенного профиля находился в пределах 4,8-5,2, демонстрируя значительное видовое разнообразие, количественное представительство видов и сложность структуры сообщества. В соответствии с этим функциональная активность сообщества также была достаточно высокая, поскольку количество потребленных субстратов микробным сообществом составило 29-37 из 45 [17]. Комплекс этих и ряда других показателей, учитываемых в методе муль-тисубстратного тестирования, указывают на относительную устойчивость микробоценоза, несмотря на существенное агро-генное воздействие. Достаточно высокую активность и стабильность микробоценоза подтверждает и показатель целлюлозораз-лагаюшей способности почв (58% за 3 зимних месяца).
Таким образом, при многолетнем ведении монокультуры персика с применением агрохимических средств, в бурой лесной слабоненасыщенной почве происходит ряд агрогенных изменений, т.к. усиление процесса перераспределения илистой фракции с увеличением ее содержания вниз по профилю и обеднение профиля почвы гумусом, азотом, кальцием и магнием. Отмечено также увеличение содержания в верхних горизонтах валового цинка и меди в 1,3-1,5 раз. На этом фоне при относительной устойчивости микробного сообщества, обусловленной значительным разнообразием и высокой субстратной активностью, тем не менее, выявлено снижение активности ряда специфических гидролитических ферментов, в частности инвертазы в поверхностном горизонте в 15 раз, а уреазы по профилю почвы с глубины 17 см в 3-5раз.
Литература
1. Ряднова И.М. Персик Северного Кавказа. - Красндар: Книжное издательство, 1974. - 126 с.
2. Янушевская Э.Б., Фогель В.А., Аверьянов В.Н. Экологические основы развития садоводства на Черноморском побережье. Сб. науч. трудов «110 лет в субтропиках России», Сочи, 2004, Вып. 39, ч. II. - С. 569-575.
3. Попова В.П. Агроэкологические аспекты формирования продуктивных садовых экосистем. - Краснодар, 2005. - 242 с.
4. Беседина Т.Д., Янушевская Э.Б., Егошин
A.В. Влияние пестицидов на биоресурсы садовых экосистем в субтропиках России // Субтропическое и декоративное садоводство, 2009, Вып. 42, Т. 2. - С. 296-311.
5. Малюкова Л.С. Оптимизация плодородия бурых лесных почв и применения минеральных удобрений при выращивании чая в России. - Сочи: ГНУ ВНИИЦиСК Россельхо-закадемии, 2014. - 416 с.
6. Струкова Д.В. Малюкова Л.С. Некоторые показатели биологической активности бурых лесных кислых почв чайных плантаций субтропиков России // Агрохимический вестник, 2010, № 6. - С. 5-9.
7. Практикум по агрохимии / под ред.
B.Г. Минеева. - М.: МГУ, 1989. - 304 с.
8. Горленко М.В., Кожевин П.А. Муль-тисубстратное тестирование природных микробных сообществ. - М.: МАКС Пресс, 2005. - 88 с.
9. Козлова Н.В. Состояние бурых лесных кислых почв чайных плантаций при длительном применении минеральных удобрений в субтропиках России: автореф. дисс. к.б.н. - М., 2008. - 28 с.
10. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142 с.
11. Соколов О. А., Черников В. А. Экологическая безопасность и устойчивость развития. Книга 1. Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. -Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1999. - 164 с.
12. Хазиев Ф.Х. Почвенные ферменты. -М.: Знание, 1972. - 32 с.
13. Хазиев Ф.Х., Гулько А.Е. Ферментативная активность почв агроценозов и перспективы ее изучения // Почвоведение, 1991, № 8. - С. 88-103.
14. Воронин А.А., Протасова Н.А., Беспалова Н.С. Динамика ферментативной активности чернозема обыкновенного в условиях полевого стационарного опыта Федерального полигона «Каменная степь» // Вестник ВГУ, Сер. Биология, 2006, № 2. - С. 122-127.
15. Струкова Д.В., Малюкова Л.С. Активность ферментов каталазы и фосфатазы в бурых лесных кислых почвах чайных плантаций субтропиков России // Субтропическое и южное садоводство России, 2009, Вып. 42, Т. 2. -
C. 118-127.
16. Tyler G. Heavy metal pollution phosphatase activity and mineralization of organic phosphorus in forest soil // Soil Biology, Biochemistry, 1976, № 8. - P. 21-32.
17. Струкова Д.В. Биологическая активность бурых лесных почв агроценозов чая, персика, фундука при длительном применении минеральных удобрений в условиях черноморского побережья России: автореф. дисс. к.б.н. - М., 2014. - 23 с.
