ЛАБОРАТОРИЯ АГРОХИМИИ И ПОЧВОВЕДЕНИЯ
Руководитель подразделения: Козлова Наталья Васильевна – ведущий научный сотрудник, заведующая лабораторией, кандидат биологических наук
Лаборатория агрохимии и почвоведения является старейшим подразделением Субтропического научного центра РАН. Она ведет свою историю с 1896 года, когда была оборудована химическая лаборатория Сочинской сельскохозяйственной и садовой опытной станции (созданной в 1894 г.), ставшей позднее Всероссийским НИИ цветоводства и субтропических культур, а ныне Субтропическим научным центром РАН. Первые упоминания в научной литературе об исследовании почв территории станции и серии аналитических работ по изучению их свойств, первых опытах с удобрениями на овощных и ягодных культурах относятся к 1915 г.
На протяжении более чем 100-летнего периода работа лаборатории была неразрывно связана с решением общих задач опытной станции, а в дальнейшем института по становлению и развитию субтропического растениеводства в России. Основными направлениями исследования коллектива лаборатории на разных этапах были:
- всестороннее изучение особенностей почвенного покрова уникальной для России субтропической зоны, физико-химических свойств почв; классификация и систематизация почв; изучение влияния климата, вертикальной зональности, коренных пород на формирование растительного и почвенного покрова;
- почвенное обследование влажно-субтропической зоны и предгорных районов Кубани (в составе крупных экспедиций по линии Академии наук) и выделение земель под чай, цитрусовые, виноград, лавр, другие субтропические и плодовые культуры;
- изучение агрохимических особенностей выращивания и разработка систем удобрения для целого ряда возделываемых здесь субтропических и южных плодовых (чай, виноград, цитрусовые, орехоплодные, хурма, фейхоа, благородный лавр, инжир, гранат, яблоня, груша, слива, алыча, персик, др.), а также овощных, технических, ягодных, цветочных культур;
- разработка и совершенствование методов диагностики минерального питания, научно-обоснованных градаций обеспеченности почв элементами питания для основных культур (чай, лавр благородный, фундук, виноград, груша, персик, мандарины, фейхоа и др.) и критериев растительной (листовой) диагностики;
- разработка бонитировочных критериев для почв чайных плантаций;
- разработка системы содержания почвы в садах и приемов её окультуривания;
- изучение физических свойств и водного режима почв в садах и виноградниках; разработка поливных режимов для чайных плантаций, цветочных, ягодных, плодовых культур;
- в области цветоводства была разработана технология и устройство выращивания гвоздики ремонтантной в условиях малообъемной гидропоники;
- постановка и закладка многофакторных полевых опытов с удобрениями, включающих большое число уровней и сочетаний факторов для математического описания продукционных и экологических процессов в агроэкосистемах, которые стали фундаментальной базой для постоянного расширения, углубления и модификации исследований.
В настоящее время в составе Субтропического научного центра РАН коллектив лаборатории продолжает сохранять и развивать традиции зональной научной школы по агрохимии и почвоведению, заложенные несколькими поколениями ученых.
Основные направления исследований
Теория и практика оптимизации сбалансированного циклирования веществ в агроэкосистеме, регулирования их трансформации и продуктивного использования элементов растениями, определение физиолого-агрономических оптимумов удобрений, как основы стабильности продукционного процесса, его устойчивости к переменным условиям окружающей среды, получения безопасной растениеводческой продукции, сохранения плодородия почв и экологии сопряженных сред.
- Изучение воздействия абиотических и биотических индукторов на функционирование агроэкосистем субтропических и цветочно-декоративных культур для оптимизации агробиологического статуса почв (грунтов) и физиолого-биохимического состояния растений.
- Развитие научных основ методологии оценки состояния и прогнозирования пространственно-временных изменений агро-физико-геохимических показателей культурных ландшафтов при разных уровнях антропогенной нагрузки, а также приемов их рекультивации.
- Выявление механизмов, регулирующих адаптацию симбиотических растительно-микробных систем к эдафическим стресс-факторам для повышения роли биологических источников элементов питания растений в общем балансе питательных веществ.
- Изучение экохимических механизмов генотипической специфики минерального питания различных сортов и гибридов субтропических и цветочно-декоративных растений с целью повышения эффективности использования биогенных элементов из почвы и минеральных удобрений.
- Разработка и совершенствование агротехнологий управления плодородием почв и урожайностью субтропических и цветочно-декоративных культур на основе эффективного использования биологических (сорт и его растительно-микробные ассоциации) и техногенных (удобрения, стимуляторы роста, биологически активные вещества) ресурсов, а также природно-ресурсного потенциала ландшафтов (почвы, рельеф, климат).
- Изучение состава и свойств природных и синтетических веществ, оценки их эффективности в качестве агромелиорантов (почвоулучшителей) и компонентов почвогрунтов и субстратов для оптимизации их средообразующего потенциала в плодоводстве, цветоводстве и питомниководстве (контейнерные, горшечные, стеллажные культуры закрытого и открытого грунта).
Основные достижения с 2010 года
Разработана научная концепция оптимизации плодородия почв и применения минеральных удобрений при выращивании чая в России, предложен новый подход к подбору доз минеральных с учетом уровня плодородия почв по кислотно-основному состоянию, позволяющий повысить эффективность их использования в агроценозах; предложены оптимальные параметры плодородия бурых лесных почв чайных плантаций. Доказаны положения, касающиеся необходимости и целесообразности комплексного индивидуально-дифференцированного подхода к применению минеральных удобрений при выращивании чая, учитывающего: возраст насаждений, плодородие почв, потенциально возможную урожайность сорта, качество сырья, метеорологические условия, степень агрогенной трансформации почв, экологическую безопасность агрохимикатов, экономическую эффективность. Результаты исследований прошли апробацию в чаепроизводящих хозяйствах города (ЗАО «Дагомысчай», ОАО «Мацестинский чай», ОАО «Солохаульский чай» на площади более 80 га.
Получены новые знания в области динамики плодородия почв при длительном возделывании чая во влажных субтропиках России по группе показателей (гумусовый состав почв, кислотно-основное состояние, азотный, фосфатный и калийный режимы). Установлены графические, регрессионные и аппроксимирующие математические закономерности, отражающие направленность, степень и скорость изменения базовых свойств почвы в зависимости от нагрузки минеральными удобрениями. Разработана общая концептуальная модель эволюции плодородия почв под многолетней монокультурой чая при разных агрогенных нагрузках. В том числе описаны: модель прогноза убывающего плодородия (деградации) при экстенсивной эксплуатации или несбалансированном применении удобрений – путь истощения плодородия; модель поддержания и воспроизводства плодородия – путь оптимального развития при интенсивной эксплуатации; модель интенсивного роста плодородия с последующем убыванием – путь экономически и экологически нецелесообразного развития при сверх интенсивной эксплуатации.
Проведено исследование характера агрогенных изменений почв при длительной интенсивной с/х эксплуатации (на примере чайных агроценозов) в условиях влажных субтропиков России. Предложены принципы и набор критериев, позволяющие произвести комплексную оценку их состояния. Выделено две группы признаков: мобильные (показатели кислотно-основного состояния и биологической активности почвы, содержание доступных форм основных макроэлементов) и консервативные (показатели гумусного состояния, гранулометрический, элементный и минералогический составы почвы, морфологическое строение профиля). Определены качественные и количественные изменения диагностических признаков, характеризующие различные степени агрогенной трансформации почв (слабая, средняя, сильная); допустимые и критические границы их изменений. Методика позволяет осуществлять оценку и корректировку применяемых агротехнологий, с целью сохранения продуктивной и экологической функциональной способности почв, исключения или ограничения агроприемов, ведущих к деградационным явлениям в почвах.
Получены новые знания в области комплексного минерального питания чайного растения (Camellia sinensis (L.) O. Kuntze), педохимии ряда элементов (B, Zn, Ca, Mg), а также факторов, определяющих качество чайного сырья; установлена целесообразность включения ряда изученных элементов (кальций, бор, цинк) в систему удобрения чайных плантаций, что обеспечит повышение урожайности, в том числе в экстремальные по влагообеспеченности годы, качества сырья, а также сохранение и воспроизводство плодородия ограниченного фонда чаепригодных почв. Впервые получены корреляционные матрицы, отражающие проявление признаков, детерминирующих продукционный статус растений чая и его качественные параметры, что дополняет существующие знания в области взаимосвязей в системе почва -чайное растение и является теоретической базой для разработки новых стратегий в системе удобрения.
Установлены параметры элементного состава чайного сырья (сорта Колхида), определяющие его качество и экологическую безопасность, а также диапазоны варьирования содержания широкого спектра химических элементов (эссенциальных, неэссенциальных и токсичных) и основных показателей качества (танина, экстрактивных веществ), определяющие химический региональный профиль сортового чая. Выявлены корреляционные связи показателей качества чайного сырья с содержанием макро- (N, P, Mg) и некоторых микроэлементов (Mn, Al), являющихся основными структурными и функциональными элементами.
В рамках разработки зональной технологии возделывания культуры киви – актинидии сладкой (Асtinidia deliciosa) в субтропиках России, перспективной для промышленного выращивания в регионе, проведено комплексное изучение различных аспектов минерального питания (химический состав растений, потребление и вынос ими элементов питания с учетом урожайности и сортовых особенностей, оценка уровня обеспеченности почв и растений макроэлементами). Разработан регламент применения удобрений, который определяет нормирование доз, сроки, виды и способы применения минеральных (и органических) удобрений, в зависимости от возраста и продуктивности растений, уровня обеспеченности почв и нормативов баланса NPK, а также устанавливает критерии почвенной, листовой химической и визуальной диагностики минерального питания культуры.
Получены новые знания в области почвенной энзимологии и микробиологии: состояние и особенности изменения ферментативной активности и численности ряда таксономических групп микробоценоза в основных зональных типах и подтипах естественных и агрогенно-измененных почв (специфика профильно-генетического распределения и диапазоны варьирования в сезонной, многолетней и пространственной динамиках). Разработаны методологические и методические аспекты диагностики биофункционального состояния агрогенно-измененных почв садовых агроценозов в зоне влажных субтропиков России. Оценена степень агрогенных изменений основных зональных почв под влиянием типа землепользования, различных видов и доз минеральных удобрений. Разработаны допустимые и пороговые уровни изменения параметров биологической активности почв (критериально значимые величины и градации), позволяющие нормировать агрогенную нагрузку. К наиболее чувствительным и информативным почвенным биологическим показателям отнесены: микробный метаболический коэффициент, активность инвертазы, уреазы и каталазы, а также численность актиномицетов и микромицетов в верхних почвенных слоях, наиболее подверженных агрогенному воздействию. Обоснованы этапы выполнения полевых работ: основной диагностический почвенный слой, сроки и техника отбора почвенных образцов, а также их хранение. Изложены практические протоколы апробированных методик анализа численности и активности почвенных микроорганизмов.
Впервые для зоны влажных субтропиков России сформулированы основные положения о направленности трансформационных изменений биологической активности основных естественных и агрогенно-измененных почв фитоценозов. Выделены основные закономерности изменения их биологических параметров под влиянием типа землепользования, различных видов и доз минеральных удобрений. Разработаны основные принципы и критерии использования наиболее информативных показателей в оценке биологической активности при проведении почвенно-экологических исследований. Предложены шкалы нормирования агрогенной нагрузки на почвы агроценозов по уровню биологической активности относительно почв фоновой территории.
Системно изучается потенциальная способность агрогенно-преобразованных почв к самовосстановлению при снятии многолетней нагрузки минеральными удобрениями, а также изменение уровня плодородия почв и продуктивности культуры (на примере чая) на фоне длительного последействия удобрений. Контролируется большой комплекс показателей плодородия, вещественно-структурного и биофункционального состояния почв. За 8-10-летний период экстенсивного возделывания (полная отмена применения минеральных удобрений) выявлено существенное падение урожайности, а также уровня плодородия почв (по содержанию легкогидролизуемого азота, гумуса, подвижного фосфора и калия). Наряду с негативными последствиями выявлены положительные с экологической точки зрения изменения, свидетельствующие о тенденции постепенного возвращения агрогенно-трансформированных почв к исходному генетически обусловленному состоянию в отсутствии нагрузки удобрениями: уровень гумусированности и обеспеченности основными питательными элементами стремиться к уровню почв естественных лесных ценозов; идет «раскисление» ранее агрогенно-подкисленных почв; повышение показателей биологической активности свидетельствует о ремиссии биофункционального состояния даже у сильно угнетенных почв.
Защищены 1 докторская и 4 кандидатские диссертации:
- Малюкова Л.С. Оптимизация плодородия бурых лесных почв и применения минеральных удобрений при выращивании чая в условиях Черноморского побережья России края: дис… докт. биол. наук по специальности 06.01.04 Агрохимия. – Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2013. – 343 с.
- Козлова Н.В. Состояние бурых лесных кислых почв чайных плантаций при длительном применении минеральных удобрений в субтропиках России: дис… канд. биол. наук по специальности 03.00.27 Почвоведение. – Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2008. – 200 с. (руководитель Малюкова Л.С.).
- Струкова Д.В. Биологическая активность бурых лесных почв агроценозов чая, персика, фундука при длительном применении минеральных удобрений в условиях Черноморского побережья России: дис. … канд. биол. наук. по специальности 06.01.04 Агрохимия. – Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2014. – 128 с. (руководитель Малюкова Л.С.).
- Рогожина Е.В. Структурно-функциональное состояние микробного комплекса бурых лесных кислых почв влажно-субтропической зоны России при длительном агрогенном воздействии: дис… канд. биол. наук по специальности 03.02.08 Экология (биология). – Петропавловск-Камчатский, КГТУ, 2019. – 190 с. (Руководитель Малюкова Л.С.)
- Великий А.В. Влияние корневого применения биогенных элементов (Mg, Ca, B, Zn) на плодородие бурых лесных кислых почв, урожай и качество зеленого чайного листа в условиях влажных субтропиков России: дис…. канд. сельскохозяйственных наук по специальности 06.01.04 – Агрохимия). Краснодар, КубГАУ им. И.Т. Трубилина, 2022. – 200 с. (Руководитель Малюкова Л.С.)
Методические материалы и разработки с 2010 года
- Малюкова Л.С., Ксенофонтова Д.В., Козлова Н.В. Эколого-агрохимические особенности возделывания культуры Азимина трехлопастная в условиях субтропиков России. Рекомендации. – Сочи: ВНИИЦиСК, 2009. – 30 с.
- Малюкова Л.С., Козлова Н.В. Методические рекомендации по комплексной почвенно-растительной диагностике минерального питания чая. – Сочи: ВНИИЦиСК, 2010. – 37 с.
- Малюкова Л.С., Козлова Н.В., Притула З.В. Система удобрения плантаций чая в субтропиках России. – Сочи: ВНИИЦиСК, 2010. – 45 с. (Золотая медаль ХII-й Российской агропромышленной выставки «Золотая осень», Москва, ВВЦ, 2010).
- Малюкова Л.С. Микроэлементы в системе почва – чайное растение в условиях субтропиков России: монография. – Сочи: ВНИИЦиСК, 2011. – 114 с.
- Рындин А.В., Беседина Т.Д., Туов М.Т., Козин В.К., Притула З.В., Малюкова Л.С., Козлова Н.В., Терешкин А.С. Инвентаризационный паспорт чайной плантации. Методика и нормативная документация. – Сочи: ВНИИЦиСК, 2011. – 30 с.
- Малюкова Л.С. Оптимизация плодородия почв и применения минеральных удобрений при выращивании чая в России: монография. – Сочи: ВНИИЦиСК, 2014. – 416 с.
- Козлова Н.В., Гребенюков С.Н., Юткина И.В., Губарева А.А., Рогожина Е.В. Технологический регламент применения удобрений при возделывании киви – актинидии сладкой (Асtinidia deliciosa) в субтропиках России // Инновационные разработки в области возделывания субтропических и южных плодовых культур. – Сочи: ВНИИЦиСК, 2016. – С. 83-111.
- Козлова Н.В., Малюкова Л.С., Струкова Д.В., Рогожина Е.В., Керимзаде В.В. Методика оценки бурых лесных кислых почв чайных плантаций Черноморского побережья России по степени агрогенных изменений // Инновационные разработки в области возделывания субтропических и южных плодовых культур. – Сочи: ВНИИЦиСК, 2016. – С. 165-189.
- Малюкова Л.С., Притула З.В., Козлова Н.В., Великий А.В., Рогожина Е.В. Научно-обоснованные параметры химического состава чайного сырья, обеспечивающие его высокое качество и экологическую безопасность. – Сочи: ВНИИЦиСК, 2018. – 20 с.
- Козлова Н.В., Малюкова Л.С., Керимзаде В.В. Концептуальная модель эволюции плодородия бурых лесных кислых почв чайных плантаций влажных субтропиков России при агрогенном воздействии: монография. – Сочи: ФИЦ СНЦ РАН, 2020. – 76 с.
- Малюкова Л.С. Рогожина Е.В., Струкова Д.В. Диагностика биофункционального состояния агрогенно-измененных почв под многолетними насаждениями в зоне влажных субтропиков России: монография. – Сочи: ФИЦ СНЦ РАН, 2022. – 86 с.
- Малюкова Л.С., Рогожина Е.В., Струкова Д.В. Биологическая активность агрогенно-измененных почв влажных субтропиков России (монография). – Сочи: ФИЦ CНЦ РАН, 2023. – 400 с.
Перечень наиболее важных проектов
Грант Российского научного фонда
№ 22-16-00058 «Исследование генетических механизмов биосинтеза катехинов, кофеина, теанина у мутантных генотипов чая в условиях дефицита азотного питания in vitro и in vivo» (2022-2024 гг., Руководитель – Малюкова Л.С.). Исследования направлены на решение проблемы сохранения и повышения качества чая в условиях дефицита минерального питания. Ключевым аспектом этой работы является разработка генетических маркеров для маркер-опосредованных отборов наиболее перспективных гибридов. Исследуются ключевые гены, которые лежат в основе устойчивости чая к минеральной недостаточности (в частности, дефициту азота), а также основные метаболические пути влияния генов на содержание наиболее важных органических компонентов, определяющих качество и пищевую ценность чая (катехинов, кофеина и теанина) в разных генотипах чая. Впервые исследование этих процессов изучается на клеточном, тканевом и организменном уровнях в условиях in vitro и in vivo, что позволит детально исследовать основные генетические детерминанты, опосредованные этим стресс-фактором (дефицит азота). Впервые у генотипов с разной плоидностью будут выявлены различия в экспрессии генов, вовлеченных в биосинтез вторичных метаболитов и в абиотический стрессовый ответ, в зависимости от условий культивирования (in vitro и в полевой коллекции). Работа является теоретической базой для создания новых сортов, адаптированных к конкретному уровню почвенного плодородия и способных лучше, чем существующие, утилизировать питательные вещества почв и удобрений и синтезировать повышенное содержание биологически активных веществ.
Гранты Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Департамента науки и образования Краснодарского края
№ 06-04-96753 «Юг России» р_а «Разработать модель оптимизации плодородия бурых лесных почв чайных плантаций» (2008-2010 гг., Руководитель – Малюкова Л.С.). Разработаны базовые теоретические обобщения оптимизации плодородия бурых лесных почв при выращивании чая в условиях Черноморского побережья России на основе рационального применения минеральных удобрений с учетом комплекса параметров агроэкосистемы: исходный уровень плодородия почв, потенциальная урожайность сорта, качество сырья, метеорологические условия, степень агрогенной трансформации почв, экологическая безопасность агрохимикатов.
№ 19-416-230049 р_а «Выявление физиолого-биохимических закономерностей воздействия различных форм и концентраций экзогенного кальция на адаптацию чая (Саmellia sinensis (L.) Kuntze) к гидротермическому стрессу»(2019-2021 гг., Руководитель – Малюкова Л.С.). Для культуры чая на in vivo (саженцы и полновозрастные растения в естественных условиях произрастания) и in vitro (микропобеги) растениях были выявлены основные механизмы устойчивости к засухе, опосредованные кальцием: снижение интенсивности окислительных процессов за счет активизации внеклеточных и внутриклеточных сигнальных рецепторов (кальциевый сигналинг); АБК-опосредованный механизм регуляции водного баланса (закрытие устьиц, повышение гидравлической проводимости корня и стимуляция роста корня); активизация ферментов, участвующих в детоксикации окислительных повреждений путем синтеза низкомолекулярного антиоксиданта глутатиона; расщепление крахмала до растворимых сахаров, опосредованного бета-амилазой, и трансформацией сахарозы до раффинозы, глюкозы и фруктозы, опосредованной ферментом SUS; экспрессией CIP-генов (семейство дегидринов), функционально вовлеченных в процессы защиты мембран макромолекулярных структур от коагуляции; регуляцией устьичного отверстия в замыкающих клетках посредством активации передачи сигналов АБК и передачи сигналов оксилипина путем индукции экспрессии LOX1.
Участие в других проектах в качестве соисполнителей
Грант Российского научного фонда (РНФ) № 18-76-10001 «Исследование закономерностей и механизмов формирования устойчивости в расщепляющихся популяциях чая (Camellia sinensis (L.) Kuntze) в условиях индуцированного in vitro осмотического стресса для целевой селекции» (2018-2021 гг., Руководитель Самарина Л.С., отдел биотехнологии ФИЦ СНЦ РАН)
Грант Российского научного фонда (РНФ) № 23-46-00002 «Исследование полногеномных ассоциаций ключевых генов холодового ответа и разработка молекулярных маркеров для целенаправленной селекции чая Camellia sinensis (L.) Kuntze» (2023-2025 гг. Руководитель – Малюкова Л.С., лаб. молекулярной и клеточной селекции ФИЦ СНЦ РАН).
Грант РФФИ и Департамента науки и образования Краснодарского края № 19-43-230010 р_а «Разработка научно-методического подхода к классификации чая по региональной принадлежности» (2019-2021 гг., заявитель ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет»).
Грант Кубанского научного фонда № МФИ-20.1/6 «Геохимия урболандшафтов Сочинского Черноморского побережья и факторы её определяющие» (2020-2021 гг., Руководитель – Захарихина Л.В., лаб. геоэкологии и природных процессов ФИЦ СНЦ РАН).