Оценка потенциальной азотфиксирующей активности почв агрофитоценозов субтропической зоны России

УДК: 631.468:631.445.7

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ АЗОТФИКСНРУЮЩЕЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ СУБТРОПИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РОССИИ

Е.В. Рогожина, Н.В. Костина, Л.С. Малюкова

Дана оценка потенциальной азотфиксирующей активности различных типов почв под агрофитоценозами чая, фундука, персика и азимины, произрастающими в районе Большого Сочи. Высокие показатели активности азотфиксации в почве в течение вегетации были характерны для агроценозов азимины, персика и фундука. Самый низкий уровень азотфик-сации отмечен в почве чайной плантации. Установлена отрицательная корреляционная зависимость потенциальной азотфиксирующей активности от кислотности почвенного раствора. Изучение сезонной динамики активности азотфиксации почв агрофитоценозов субтропической зоны РФ позволило выделить менее активный зимний и более активный весенне-лет-не-осенний периоды.

Ключевые слова: потенциальная азотфиксирующая активность, агрофитоценоз, субтропическая зона.

Введение

В основе функционирования всех наземных экосистем, в том числе агрофитоценозов, лежит биологический круговорот биофильных элементов. В этом плане одну из ведущих позиций занимает азот, поскольку он более, чем любой другой элемент, ограничивает ресурсы питательных веществ в фитоценозах. Фиксация молекулярного азота (сим-биотическая и несимбиотическая) является одним из главных источников вовлечения в круговорот связанного азота [2, 9, 12, 16].

Почвы субтропической зоны РФ характеризуются недостаточной обеспеченностью доступными формами азота (30—50 мг/кг) [10], поэтому возделывание сельскохозяйственных культур требует применения повышенных доз азотных удобрений. Это проблематично в связи с рядом ограничений в курортной зоне и не согласуется с требованиями современного землепользования, основанными на принципах энергосбережения и обеспечения экологической безопасности [2, 10, 13, 14].

Изучение интенсивности процесса несимбиоти-ческой азотфиксации почв под различными видами культур позволяет выделить наиболее перспективные микробно-растительные системы для дальнейшего изучения высокоактивной аборигенной ди-азотрофной микрофлоры, которую можно было бы использовать в практике биологического земледелия [15, 16, 17]. В связи с этим целью исследований являлось сравнительное изучение азотфиксирующей способности почв различных агроценозов субтропической зоны РФ.

Объекты и методы исследований

Исследования проводили в 2008 г. на базе опытного участка ГНУ ВНИИ цветоводства и субтропи-

ческих культур Россельхозакадемии (г. Сочи), представленного единым массивом площадью 10 га. Погодные условия на данный период были характерными для южного региона страны: средняя годовая температура — 14,4°, количество осадков — 1500 мм/год.

Изучали азотфиксирующую активность (АА) различных типов почв садовых агроценозов: чая (желтозем ненасыщенный оподзоленный), фундука, персика и азимины (почва бурая лесная слабоненасыщенная). Все растения полновозрастные. Смешанные образцы бурых лесных и желтоземных почв разной степени окультуренности отбирали из верхнего слоя почвы 0—20 см. Культуры различались по эколо-го-географическому происхождению, срокам вегетации, устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам, технологией возделывания.

Определение потенциальной азотфиксации проводили методом ацетиленредукции на газовом хроматографе Кристалл-2000 с пламенно-ионизационным детектором. Характеристика прибора: длина колонки —1м, диаметр — 3 мм, наполнитель — Porapak N 80/100, температура колонки — 60°, детектора — 160°, испарителя — 100°, поток газа-носителя (N2) — 50 мл/мин., воздуха — 280 мл/мин., водорода — 28 мл/мин. Активность азотфиксации выражали в нг С2Н4Д • ч [11]. Агрохимические показатели определяли методами, имеющими широкое применение в практике агрохимического анализа [1]: рНсол — потенциометрически в суспензии при соотношении почва:раствор KCl, равном 1:2,5 (ионометр рН-121); содержание гумуса — по методу Тюрина в модификации Орлова и Гриндель; Са2+ и Mg2+ — тригонометрически; содержание подвижных форм фосфора и калия в бурых лесных слабоненасыщенных почвах — по Олсену и Мас-ловой соответственно, в желтоземе ненасыщенном оподзоленном — по Ониани; азот легкогидролизуе-

мый — по Тюрину и Кононовой, используя колориметрический метод с реактивом Несслера, колориметр КФК-3 (длина волны 400—440 нм); влажность — весовым методом.

Результаты и их обсуждение

Почвы влажных субтропиков РФ обладают комплексом специфических свойств и высоким ресурсным потенциалом для произрастания уникальных естественных биоценозов (широколиственные леса: бук, граб, осина, дуб, клен). При трансформации их в агроэкосистемы значительно меняется круговорот веществ и в целом снижается биопродуктивность относительно агроценозов, обладающих специфическими требованиями, разомкнутым циклом обмена веществом и энергией [10]. Бурые лесные слабоненасыщенные почвы фонового участка характеризовались слабощелочной средой почвенного раствора, невысоким содержанием гумуса, низким содержанием различных форм азота, высокой обеспеченностью подвижными формами фосфора и средней обеспеченностью подвижными формами калия (табл. 1).

Почвы изучаемых агрофитоценозов также являлись малогумусными (за исключением агроценоза азимины) с низким содержанием различных форм азота, высокой обеспеченностью подвижными фосфором и калием. Показатель кислотности почв аг-роценозов определялся типом почвы и применением агротехнических приемов возделывания культур: бурые лесные слабоненасыщенные имели реакцию почвенного раствора от слабокислой до слабощелочной, желтозем ненасыщенный оподзоленный под чаем — высокую кислотность.

Уровень азотфиксации фонового участка был высоким, что характерно для почв субтропиков [9], и имел значения на два порядка выше почв таежных лесов [3] и на порядок выше почв средней полосы России [7]. Азотфиксирующая активность бурых лесных слабоненасыщенных почв плодовых агроценозов существенно разнилась и изменялась в течение вегетационного периода в широком интервале (от 28,2 до 8710 нг С2Н4Д • ч) (табл. 2). Наиболее высокие значения потенциальной АА характерны для почв агроценозов азимины, фундука и персика (от 585 до 8710 нг С2Н4Д • ч) в весенне-летне-осенний период. Зимой она незначительно снижалась под азиминой (545 нг С2Н4Д • ч) и на один-два порядка — под персиком и фундуком (28,15 и 28,53 нг С2Н4Д • ч соответственно), что обусловлено низкими температурами и физиологическим состоянием покоя изучаемых культур. Данные факторы [8, 12] являются основными в условиях повышенной влажности, определяющими уровень биологической активности почв агроценозов. Минимальный уровень потенциальной активности азотфиксации отмечен в почвах чайной плантации (0,6—2,9 нг С2Н4Д • ч в течение года). Обусловлено это тем, что высокая кислотность почвенного раствора под культурой чая подавляет нитрогеназ-ную активность свободноживущих азотфиксаторов [4, 5, 13]. Кроме того, внесение высоких доз азотных удобрений как в условиях кормового севооборота [4], так и на чайных плантациях [13] ингиби-рует процесс азотфиксации, что связано, по мнению ряда авторов [12, 16], с возможностью усваивать микроорганизмами легкодоступные формы азота из почвы. Вероятно, что и в почвах изучаемой чайной плантации под влиянием ежегодно вносимых азотных удобрений в дозе 250 кг д.в/га способная

Таблица 1

Агрохимические свойства почв изучаемых агрофитоценозов

Показатель Бурая лесная слабоненасыщенная Желтозем ненасыщенный оподзоленный

лес (фон) азимина фундук персик чай

рНсол 7,6 7,15 6,74 6,14 3,5

Гумус, % 3,8 5,53 1,55 2,7 2,43

Азот легкогидролизуемый, мг/кг 36,5 27,8 13,4 69,0 44,8

Аммиачный азот, мг/кг не опр. 6,9 5,5 7,3 1,5

Нитратный азот, мг/кг то же 1,6 0,5 1,1 2,0

Подвижный фосфор,, мг/кг 268,0 799,5 714,5 428,7 237,9

Подвижный калий, мг/кг 178,0 192,6 245,1 479,9 353,2

Са2+, мг-экв/100 г 26,57 22,66 22,66 21,42 4,33

Mg2+, мг-экв/100 г 2,68 2,88 4,33 4,33 3,5

Сумма, мг-экв/100 г 29,25 25,54 26,99 25,75 7,83

10000

Азимина Фундук Персик Чай

^ февраль О май ^ август Щ октябрь

Сезонная динамика показателя потенциальной активности азотфиксации в почве садовых агрофитоценозов

к азотфиксации микрофлора использует менее энергоемкий процесс потребления азота, при этом АА почв снижается.

Таблица 2

Динамика потенциальной активности азотфиксации почв садовых агрофитоценозов в течение вегетационного периода, нг С2Н4/Г почвы

Культура Время отбора

февраль май август октябрь

Лес (фон) не опр. не опр. 1674 3322

Азимина 544,0 4900 5342 584,8

Фундук 28,5 8710 2796 663,2

Персик 28,2 7646 4520 2343

Корреляционный анализ позволил установить обратную зависимость показателя потенциальной

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Агрохимические методы исследования почв. М.,

1975.

2. «Биологический» азот и его роль в земледелии / Под ред. Е.Н. Мишустина. М., 1967.

3. Гришакина И.Е, Трофимов С.Я, Степанов А.Л, Дорофеева Е.И. Микробная трансформация соединений азота в почвах южной тайги // Почвоведение. 2006. № 11.

4. Гузев B.C., Левин С.В. Перспективы эколого-мик-робиологической экспертизы состояния почв при антропогенных воздействиях // Почвоведение. 1991. № 9.

5. Дараселия H.A. Биологическая активность основных почв Западной Грузии. Тбилиси, 1979.

6. Джанаев З.Г. Агрохимия и биология почв юга России / Под ред. акад. РАСХН В.Г. Минеева. М., 2008.

7. Егорова С.В., Лавров В.А. Биологическая фиксация азота в лесных биогеоценозах // Азотфиксация в лесных биогеоценозах. М., 1987.

8. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М., 1987.

9. Звягинцев Д.Г, Бабъева И.П, Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. М., 2005.

10. Малюкова Л.С, Козлова Н.В, Струкова Д.В., Рогожина Е.В. Способы реализации научных принципов

азотфиксирующей активности от кислотности почвенного раствора (г = —0,74).

Изучение сезонной динамики показателя потенциальной активности азотфиксации позволило выделить периоды более низкой осенне-зимней и достаточно высокой весенне-летней активности почв агрофитоценозов субтропической зоны РФ (рисунок). Максимальные значения азотфиксирующей активности почв изучаемых садовых агрофитоценозов и чайной плантации отмечались в мае. Выявленная динамика АА определяется сезонным характером динамики численности микроорганизмов, установленным ранее рядом авторов [4, 5, 6, 8].

Выводы

Потенциальная азотфиксирующая активность различных типов почв субтропической зоны России в течение вегетационного периода варьировала в широких пределах (от 0,6 до 8710 нг С2Н4Д • ч). Отмечен высокий азотфиксирующий потенциал бурых лесных слабоненасыщенных почв как фонового участка — широколиственный лес, так и почв садовых агроценозов. Минимальные показатели АА установлены для желтозема ненасыщенного опод-золенного чайной плантации. Выявлена обратная корреляция показателя потенциальной активности АФ с кислотностью почвенного раствора (г = = —0,74). В разрезе сезонной динамики выделены два контрастных периода АА почв — зимний и весенне-летне-осенний, связанные с климатическими условиями (снижение температуры) и физиологическим состоянием культур (период относительного покоя).

создания устойчивых агроэкосистем в субтропическом земледелии // Биоресурсы, биотехнологии, экологически безопасное развитие агропромышленного комплекса. Сочи, 2007.

11. Минеев В.Г. Практикум по агрохимии. М., 2001.

12. Мишустин Е.Н, Емцев В.Т. Микробиология. М.,

1987.

13. Рогожина Е.В. Влияние минеральных удобрений на интенсивность азотфиксации в условиях многолетних агроценозов чая субтропической зоны России // Параметры адаптивности многолетних культур в современных условиях развития садоводства и виноградарства. Краснодар, 2008.

14. Рогожина Е.В., Струкова Д.В. Азотфиксация в почвах различных агроценозов субтропической зоны России // Мат-лы 42-й междунар. науч. конф. «Агрохимические технологии, приемы и способы увеличения объемов производства высококачественной сельскохозяйственной продукции». М., 2008.

15. Сорокин ИД, Кравченко И.К. Оценка потенциальной азотфиксирующей активности в почвах содового засоления // Агрохимия. 2008. № 2.

16. Умаров М.М., Кураков A.B., Степанов А.Л. Мик- 17. Широких A.A. Изучение микробного потенциала

робиологическая трансформация азота в почве. М., 2007. фитосферы растений для использования в сельскохозяйственной биотехнологии: Автореф. докт. дис. М., 2007.

Поступила в редакцию 05.09.2010

ESTIMATION OF POTENTIAL NITROGEN-FIXING ACTIVITY OF SOILS

OF AGROPHYTOCENOSES SUBTROPICAL ZONE OF RUSSIA

E.V. Rogozhina, N.V. Kostina, L.S. Malyukova

The estimation potential nitrogen-fixing is given activity of various types of soils of an agro-phytocenoses of tea, a filbert, a peach and a papaw, growing on the Black Sea coast, around the Big Sochi. High indicators of nitrogen fixation activity in soils during vegetation were characteristic for agrocenoses papaws, peach and filbert. The lowest level of potential nitrogen fixing activity is noted in tea plantation soils. Inverse relationship of an indicator potential nitrogen fixing activity from acidity of a soil solution is established. Studying of seasonal dynamics of an indicator of potential nitrogen fixing activity in soils of an agrophytocenosis of a subtropical zone of the Russian Federation has allowed to secrete less active autumn-winter and more active spring-and-summer the periods.

Key words: potential nitrogen-fixing activity, agrophytocenoses, subtropical zone.

Сведения об авторах. Рогожина Елена Вячеславовна, науч. сотр. лаборатории агрохимии и почвоведения ГНУ ВНИИ цветоводства и субтропических культур Россельхозакадемии, г. Сочи. Малюкова Людмила Степановна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. ГНУ ВНИИ цветоводства и субтропических культур Россельхозакадемии, г. Сочи. Тел.: (8622)96-42-23; факс: (8622)96-42-46; e-mail: MalukovaLS@mail.ru. Костина Наталья Викторовна, ст. преп. каф. биологии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: (495)939-35-46; e-mail: nvkostina@mail.ru.