Возделывание субтропических культур на Черноморском побережье России: эколого-агрохимические аспекты

Лаборатория агрохимии и почвоведения вошла в состав Сочинской сельскохозяйственной и садовой опытной станции (ныне Всероссийский НИИ цветоводства и субтропических культур — ВНИИЦиСК) на первом этапе ее организации в 1896 году. Работа лаборатории была неразрывно связана с основными направлениями исследований станции (а в дальнейшем института) и сосредоточена на изучении характеристических свойств почвенного покрова уникальной природной зоны России, агрохимических особенностей выращивания и разработке систем минерального питания возделываемых здесь культур. Многолетнее изучение влияния минеральных удобрений, химической мелиорации и известкования на рост и плодоношение растений чая ( Camellia sinensis L.), лавра благородного ( Laurus nobilis ), фундука ( Corylus L.), винограда ( Vitis vinifera L.), груши ( Pirus communis ), персика ( Prunus persica ), мандаринов ( Citrus reticulata ) и др. позволило установить некоторые общие закономерности, связанные с условиями зоны, и в дальнейшем разработать научно обоснованные градации обеспеченности почв субтропической зоны России элементами питания для различных культур. Проведены исследования, направленные на разработку вопросов использования минеральных удобрений (формы, дозы, сроки и способы внесения) как элемента технологии возделывания отдельных культур. При этом основным принципом и критерием было достижение максимальной урожайности культур. Практическое применение рекомендованных режимов минерального питания возделываемых культур на побережье позволило увеличить их урожайность в 2 раза и более (1, 2).

В последние десятилетия почвенно-агрохимические исследования сориентированы на усовершенствование и оптимизацию предложенных ранее систем минерального питания для традиционно возделываемых культур (в частности, чая), а также на изучение агрохимических особенностей выращивания и разработку систем удобрения и диагностики питания для новых и перспективных для субтропической зоны России культур (например, для азимины Asimina triloba Оипа1. и актинидии сладкой Actinidia deliciosa). При этом подобные разработки ведутся уже в рамках современных концепций рационального природопользования и адаптивно-ландшафтного земледелия с учетом различных эколого-агрохимических аспектов применения минеральных удобрений, позволяющих комплексно оценить процессы формирования урожайности и качества продукции, а также трансформацию почв (их свойств, общего потенциала плодородия) и устойчивость (адаптивность) агроценозов в постоянно меняющихся условиях внешней среды (3-8).

Упор в проводимых нами исследованиях делается не только на эффективность, но и на обоснованность и экологическую безопасность применения средств химизации (минеральных удобрений) для компонентов агроэкосистемы (почва, растения, водные бассейны). В отношении состояния и устойчивости агроэкосистем среди комплекса показателей большое внимание уделяется оценке состояния растений с привлечением физиологических исследований (ферментативная и фотосинтетическая активность, водный режим, пигментный состав листьев), а также учету функционального состояния почв по показателям микробиологической активности (9-11).

Важным представляется предложенный в этих исследованиях подход, когда при эксплуатации уникальных земель Черноморского побережья учитываются геоморфологические (экспозиция и крутизна склона), литологические (состав почвообразующих пород) и почвенные (потенциальный и фактический уровень плодородия) особенности каждого конкретного участка (5, 6). Существенно возрастает роль многокомпонентно-сти питания растений с использованием в системе удобрения микроэлементов, признанных в настоящее время биологически значимыми (В, Zn, Mg). Все это позволяет интенсифицировать физиологические и биохимические процессы в растениях, в конечном итоге повысив урожайность и качество продукции, а также более эффективно использовать минеральные удобрения, оптимизировав и минимизировав их дозы за счет дифференцированного применения (12, 13).

Агрохимические исследования за последние 25 лет проводились нами с использованием традиционных методов полевого и вегетационного опыта, а также классических и современных (в том числе оригинальных авторских) приемов лабораторного анализа (14, 15). Изучение влияния длительного применения минеральных удобрений на состояние агроэкосистемы чайной плантации выполняли на базе полевого многофакторного опыта с удобрениями, включенного в реестр Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами (Аттестат длительного опыта № 023 от 17.12.2001). Исследования по нормированию доз минеральных удобрений для азимины и актинидии сладкой осуществляли на базе производственных насаждений, коллекционных и опытных участков (Опытное поле ВНИИЦиСК, ЗАО «Верлиока», Адлерская опытная станция). Система удобрения лимона (Citrus limon) сорта Мейер разрабатывалась в условиях защищенного грунта в опыте с удобрениями (Опытное поле ВНИИЦиСК). При обработке экспериментальных данных использо- вали методы математической статистики, в том числе моделирования, которые позволили рассчитать оптимальные дозы удобрений, обеспечивающие получение экономически и экологически оправданного урожая. Дозы удобрений для редких культур (азимина и киви) рассчитывали методом нормативного бездефицитного баланса.

Подобная диверсификация эколого-агрохимических исследований позволила проанализировать комплекс процессов формирования показателей урожайности и качества продукции при условии сохранения и воспроизводства плодородия почв, а также экологической безопасности минеральных удобрения для почвы и сопредельных сред.

Одно из наиболее важных направлений агрохимических исследований — разработка систем применения удобрений на субтропических культурах, включающая в себя комплекс параметров (16). Установленные нами закономерности, отражающие особенности влияния различных видов и доз минеральных удобрений на урожайность ряда субтропических культур (чай, лимон, азимина, актинидия сладкая), их многолетнюю стабильность, качество продукции, а также сохранение и воспроизводство плодородия почв, легли в основу предложенной дифференцированной системы удобрения этих культур. Были разработаны базовые дозы макроудобрений и их сочетания для молодых и полновозрастных насаждений (табл. 1).

1. Разработанные базовые дозы минеральных удобрений (по действующему веществу) для ряда субтропических культур в условиях влажных субтропиков России (г. Сочи)

Примечание. Чай ( Camellia sinensis L.) — сорт Колхида, актинидия сладкая ( Actinidia deliciosa ) — сорт Хейворд, лимон ( Citrus limon ) — сорт Мейер, азимина ( Asimina triloba Dun3l.) — сорт Хостинская.

Моделирование процесса формирования урожая у молодых растений лимона сорта Мейер основывалось на результатах полевого опыта с удобрениями, в рамках которого были получены уравнения регрессии, отражающие связь разных видов и доз минеральных удобрений с обеспеченностью растений лимона этими элементом, а также наиболее важными показателями роста и развития растений (ширина кроны, величина 1-го и 2-го прироста, масса плода и др.), определяющими урожайность. На основании этого установлены оптимальные дозы для возделывания культуры (17).

Нормирование удобрений для таких культур, как актинидия сладкая и азимина, относящихся, с одной стороны, к новым и даже редким, экзотическим культурам для субтропиков России, с другой — к наиболее перспективным для этого региона, разрабатывалось на основании размеров хозяйственного выноса основных элементов питания, установленных с помощью изучения химического состава растений и биометрических учетов на различных фонах минерального питания в полевых опытах и в производственных насаждениях.

Так, у растений азимины ежегодный хозяйственный вынос питательных элементов, требующий компенсации внесением минеральных (и органических) удобрений, при урожайности 20 кг/дерево составил по азоту — 30-50, фосфору — 20-35, калию —155-170, кальцию — 20-40, магнию — 15-25 г/дерево. Методом бездефицитного нормативного баланса для этой культуры были рассчитаны рекомендуемые дозы минеральных удобрений (см. табл. 1). Для почв с обеспеченностью ниже или выше средней при расчете доз удобрений следует применять поправочные коэффициенты: при низком и очень низком содержании питательных веществ — 1,2-1,5; при очень высоком и высоком — 0,5-0,8 (18).

Размер хозяйственного выноса элементов питания у актинидии сладкой ( Actinidia deliciosa ) при средней многолетней урожайности (для сорта Хейворд — 30 кг/растение) в условиях зоны Черноморского побережья России составил по азоту — 105, фосфору — 35, калию — 160 г/куст (19). С учетом этого нами предложены базовые нормы удобрений для полновозрастных вступивших в полное плодоношение растений актинидии сладкой (сорт Хейворд) в условиях субтропиков России, достаточные для компенсации хозяйственного выноса элементов питания растениями при разной возможной урожайности в зоне (см. табл. 1). При иной обеспеченности почв (различие на 1-2-3 градации по какому-либо из элементов питания, установленное по результатам очередного агрохимического обследования) норму применения соответствующего удобрения корректируют с помощью поправочных коэффициентов. Для культуры актинидии сладкой также разработаны критерии почвенно-растительной диагностики (перечень лимитирующих урожайность свойств почв, методы их оценки, особенности химического состава листьев), позволяющей дополнительно корректировать дозы минеральных удобрений с учетом степени обеспеченности растений элементами питания (19).

В результате длительных наблюдений (1986-2011 годы) за пространственно-временными изменениями ряда компонентов в агроэкосистеме чайной плантации (сорт Колхида) была разработана научная концепция оптимизации плодородия для бурых лесных почв и использования минеральных удобрений при выращивании чая в условиях Черноморского побережья России (20). Примененная система критериев охватывала несколько блоков научных исследований (временн а я изменчивость плодородия почв под влиянием длительного внесения минеральных удобрений; качество и экологическая безопасность исходного сырья и готовой продукции; моделирование урожайности в зависимости от метеорологических условий; эффективность различных видов и доз минеральных удобрений; аг-рогенная трансформация почв и экологическая безопасность агрохимикатов). В конечном итоге это позволило сформулировать принцип индивидуально дифференцированного комплексного подхода к возделыванию чайных растений в агроэкосистеме.

Так, было установлено, что исходный уровень плодородия почвы чайных плантаций, обусловленный ее кислотно-основными свойствами, изначально предопределяет возможность получения низкой, средней или высокой урожайности, что учитывается при подборе доз минеральных удобрений. В этой связи была разработана система диагностики плодородия почвы с учетом тесной корреляционой связи между урожайностью и комплексом показателей кислотно-основного состояния (рН — r = - 0,82;

гидролитическая кислотность почв — r = 0,77; степень насыщенности почв основаниями — r = - 0,70), а также вариабельности, определяющей их информативность, биогенности элементов (для Al, Ca и Mg) и важности контроля за содержанием последних в связи с выносом из почв (табл. 2).

2. Характеристика потенциального плодородия бурых лесных почв применительно к культуре чая ( Camellia sinensis L., сорт Колхида) по показателям кислотно-основного состояния в условиях влажных субтропиков России (для почвенного слоя 0-40 см, г. Сочи)

Как показатель высокого плодородия рассматривали кислотно-основные параметры, при которых (при прочих благоприятных условиях) достигалась урожайность зеленого чайного листа более 50-80 ц/га. Для почв с кислотно-основными характеристиками, соответствующими высокой градации, дозы удобрений увеличиваются на 20 % (k = 1,2) в связи с высокой эффективностью использования последних в оптимальном для чайного растения диапазоне кислотности. В случае низкой градации дозы снижаются на 20 % (k = 0,8). Также установлены оптимальные параметры плодородия бурых лесных почв для чайных плантаций, включающие показатели, которые характеризуют базовые агрохимические (кислотность почв, содержание гумуса и основных биогенных элементов), некоторые физические (объемная масса, содержание физической глины) свойства почв и геоморфологические особенности территории (высота над уровнем моря, экспозиция и крутизна склона) (20). Выявлены закономерности изменения состояния почв чайных плантаций под влиянием необоснованно высоких доз минеральных удобрений: существенная ацидизация, снижение содержания физиологически важных мезо- и микроэлементов (Ca, Mg, Mn, Fe), изменение калийного статуса, состава и структуры почвенного поглощающего комплекса, «зафосфачивание», ингибирование биологической активности (20, 21). Усовершенствована методика почвенно-растительной диагностики минерального питания чая, учитывающая пространственную вариабельность плодородия почв для конкретных участков и физиологические особенности чайного растения (22).

Разработка научных основ применения минеральных удобрений напрямую сопряжена с оценкой их экологической безопасности, одной из характеристик которой служит биологическое состояние почв (23, 24). Мы обнаружили, что при внесении минеральных удобрений даже в относительно невысоких дозах снижались показатели дыхательной, ферментативной (инвертазной, каталазной, фосфатазной) и азотфиксирующей (выявляемой методом ацетиленредукции) активности почв по сравнению с почвами фона (естественный ценоз) и контроля (агроценоз без применения минеральных удобрений) (25, 26), отмечалось изменение состава и структуры микробоценоза (27). Так, применение минеральных удобрений в дозе N₂₀₀P 6 ₀K₅₀ оказывало стимулирующее действие на бактериальную микрофлору почв (возрастала численность бактерий на МПА и свободноживу-щих аэробных азотфиксаторов, растущих на безазотистой среде Эшби) по сравнению с контролем. При этом отмечалось снижение численности групп микроорганизмов мицелиального комплекса (актиномицетов и грибов) и функциональной группы аэробных целлюлозоразлагающих микро-28

организмов. Применение более высоких доз минеральных удобрений (N soo P iso K iso ) значительно снижало численность всех изученных морфологических групп микроорганизмов в почве, что свидетельствовало об ослаблении процессов противодействия системы внешним факторам при указанной агрогенной нагрузке, по-видимому, превышающей предельно допустимые значения. В целом наиболее существенное изменение в комплексе показателей биологической активности наблюдали в почвах вариантов с применением высоких доз азотных удобрений (400-600 кг/га по действующему веществу).

В последние годы как одно из наиболее перспективных направлений рассматривается изучение особенностей растительно-микробных систем различных культур с целью выявления эффективных микробных ассоциаций, которые участвуют в снабжении растений элементами питания, фитогормонами, витаминами и другими факторами роста (28, 29). В условиях Черноморского побережья России дана сравнительная оценка потенциальной азотфиксирующей активности почв для различных агрофитоценозов (чай, фундук, персик, азимина), установлено ее значительное варьирование в течение вегетационного периода — от 0,6 до 8710 нг С₂Н₄Дщч) (26). Выявлены стабильно высокие показатели активности азотфиксации почв: для агроценоза азимины — от 544 до 5342 нг С₂Н₄/(г • ч), фундука и персика — соответственно 663 и 2343 нг С₂Н₄/(г*ч). Самую низкую потенциальную активность азотфиксации отмечали в более кислых почвах чайной плантации — 0,6-2,9 нг С₂Н₄Дщч) в течение года. Выявлена специфика аборигенных микробных сообществ, складывающихся в прикорневой зоне различных видов и сортов растений (26, 27). Так, для ризосферы чайного куста (ацидофильное растение) доминирующей морфологической группой микроорганизмов были сапрофитные бактерии, численность которых на МПА варьировала от 10¹¹ до 10¹⁵ КОЕ/г абсолютно сухой почвы, потенциальных азотфиксаторов на среде Эшби — от 10⁷ до 10¹¹ КОЕ/г абсолютно сухой почвы (в зависимости от гидротермических условий и фаз развития растений). Численность грибов и актиномицетов составила 10⁴-10⁵ КОЕ/г абсолютно сухой почвы. В составе ризосферных микробных комплексов плодовых культур (фундук, персик) на бурых лесных слабоненасыщенных почвах (рН_сол . 6,6-6,7) также преобладали бактерии (численность 10¹¹-10¹² КОЕ/г абсолютно сухой почвы). Для грибов и актиномицетов зафиксирована численность, которая на шесть порядков ниже (10⁵10⁶ КОЕ/г абсолютно сухой почвы) (16). У более устойчивой к патогенам формы персика в структуре мицелиального микробного комплекса установлено преобладание актиномицетов над грибами.

Таким образом, за последние 25 лет в результате агрохимических исследований в зоне Черноморского побережья России разработан научный подход и сформулированы основные принципы применения многокомпонентной системы удобрения для чайных плантаций, дифференцированной с учетом их возраста, планируемого урожая и качества сырья, потенциального плодородия почв и степени их агрогенной трансформации, а также предложены элементы системы удобрения для других культур (лимон, актинидия сладкая, азимина). Проведена оценка экологической безопасности применения минеральных удобрений по комплексу показателей биологической активности почв. Результаты, полученные при изучении специфики микробных ассоциаций, служат основой для выявления наиболее эффективных сообществ с точки зрения повышения продуктивности и устойчивости растений к биотическим и абиотическим стресс-факторам.