CC BY
13
Естественные и точные науки •
Natural and Exact Sciences •••
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
Биологические науки / Biological Science Оригинальная статья / Original Article УДК 58. 009. (470. 67)
Особенности накопления калия в надземной и подземной фитомассе в Терско-Кумской полупустыне Прикаспия
© 2017 Асварова Т. А. 1 Гасанов Г. Н. 1 2, Гаджиев К. М. 1 Баширов Р. Р. 1
Ахмедова З. Н. 1 Абдулаева А. С. 1
1 Прикаспийский институт биологических ресурсов, Дагестанский научный центр РАН, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]
2 Институт экологии и устойчивого развития, Дагестанский государственный университет, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]
РЕЗЮМЕ. Цель - исследование накопления и транслокации органического вещества по блокам, концентрации и запасов калия, а также компенсированности баланса этого элемента в фитомассе, формируемой на различных типах почв Терско-Кумской низменности, в зависимости от гидротермических условий. Методы. Запасы надземного растительного вещества учитывались по методике А. А. Тит-ляновой. Определение калия в растениях при помощи системы капиллярного электрофореза «Капель-105М» (в режиме определения катионов и анионов). Результаты. На солончаке типичном и лугово-каштановой почве продуктивность фитоценоза снижается по сравнению со светло-каштановой почвой в 2,6 раза, накопление степного войлока увеличивается соответственно по типам почв на 29,9 и 31,3 %. Накопление органического вещества, концентрация и формирование запасов калия в фитоце-нозах зависит от типа почвы и гидротермических условий местности. Эти факторы определяют химизм и степень засоленности почве. Заключение. Исследован баланс калия по блокам органического вещества в фитоценозах Терско-Кумской низменности. Положительный баланс его (в целом по надземной и подземной фитомассе) складывается на лугово-каштановой почве (120,8 %), солончаке типичном (126,6 %) и на близкой к нему светло-каштановой (97,5 %) почве.
Ключевые слова: зеленая масса, ветошь, войлок, подземная фитомасса, концентрация калия, запасы калия, баланс калия, светло-каштановая почва, лугово-каштановая почва, солончак типичный.
Формат цитирования: Асварова Т. А., Гасанов Г. Н., Гаджиев К. М., Баширов Р. Р., Ахмедова З. Н., Абдулаева А. С. Особенности накопления калия в надземной и подземной фитомассе в Терско-Кумской полупустыне Прикаспия // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. 2017. Т. 11. № 3. С. 35-40.
The Features of Potassium Accumulation in Aboveground and Underground Phytomass in Caspian Terek-Kuma Semidesert
© 2017 Tatyana A. Asvarova 1, Gasan N. Gasanov 1 2, Kamil М. Gadzhiev 1, Rashid R. Bashirov 1, Zaira N. Akhmedova 1, Ayshat S. Abdulaeva 1
1 Caspian Institute of Biological Resources, Dagestan Scientific Centre, RAS, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]; [email protected];
[email protected]; [email protected] 2 Institute of Ecology and Sustainable Development,
Dagestan State University, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]
ABSTRACT. The aim is to study the accumulation and translocation of organic substance on the blocks, potassium concentration and capacity, and compensated balance of this element in phytomass formed on various types of Terek-Kuma lowland soils according to the hydrothermal conditions. Methods. Above-ground plant substance capacity are counted by A. A. Titlyanova method. Determination of potassium in plants is carried out with system of capillary electrophoresis - "Capel-105M" in the mode of cations and anions. Results. Productivity of phytocenosis decreases in comparison with the light-chestnut soil in 2.6 times on typical saline and meadow-chestnut soils, accumulation of the steppe felt increases in respective soil types 29.9 and 31.3 %. Organic substance accumulation, concentration and formation of potassium reserves in the plant communities depend on soil types and hydrothermal conditions of the area. These factors determine the chemical composition and the degree of soil salinity. Conclusion. Balance of potassium on the blocks of organic substance in plant communities of Terek-Kuma lowland is examined. It positive balance in above-ground and underground phytomass is formed on the meadow-chestnut soil (120,8 %); on typical solonchak soil (126,6 %) and close to it light-chestnut soil (97,5 %).
Keywords: green mass, grassland litter, felt, underground phytomass, potassium concentration, potassium capacity, potassium balance, light-chestnut soil, meadow-chestnut soil, typical saline soil.
For citation: Asvarova T. A., Gasanov G. N., Gadzhiev K. M., Bashirov R. R., Akhmedova Z. N., Abdulaeva A. S. The Features of Potassium Accumulation in Aboveground and Underground Phytomass in Caspian Terek-Kuma Semidesert. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. 2017. Vol. 11. No. 3. Pp. 35-40. (In Russian)
Введение
Высокая пастбищная нагрузка в сочетании с неблагоприятными климатическими (недостаточное количество осадков, высокие температуры воздуха в летние месяцы, частая повторяемость ветров) и почвенными (легкий гранулометрический состав) условиями способствует усилению дефляционных процессов в Терско-Кумской низменности. Это приводит к обеднению видового состава и снижению продуктивности пастбищных фитоценозов [1; 5; 10]. В связи с этим исследование формирования, транслокации по блокам органического вещества, а также балансу химических элементов в фи-томассе на этой территории имеет актуальное значение для биологической и аграрной науки и производства. В настоящей статье приводятся результаты исследований баланса калия в травяных экосистемах полупустыни.
Целью данной работы явилось исследование накопления и транслокации органиче-
ского вещества по блокам, концентрации и запасов калия, а также компенсированности баланса этого элемента в фитомассе, формируемой на различных типах почв Терско-Кумской низменности в зависимости от гидротермических условий.
Материал и методы исследования
Экспериментальные участки Кочубей-ской биосферной станции (КБС) Прикаспийского института биологических ресурсов (ПИБР) Дагестанского научного центра (ДНЦ) РАН, размещенные на трех типах почв: светло-каштановой, лугово-каштановой и солончаке типичном авто-морфном, были разбиты на 100 постоянных площадок по 1 м2. Запасы надземного растительного вещества учитывались по А. А. Титляновой [8], названия растений приведены по С. К. Черепанову [9]. Содержание калия в блоках фитомассы определено по системе капиллярного электрофореза «Капель- 105М» (режим определения катионов и анионов) [3].
Естественные и точные науки ••• 3
Natural and Exact Sciences •••
Таблица 1
Накопление надземной и подземной фитомассы в блоках органического вещества по типам почв Терско-Кумской низменности, 2011-2016 гг., кг/га сутки
Блок органического вещества Тип почвы
Светло-каштановая Лугово-каштановая Солончак типичный
Зеленая масса, G 9,2 3,8 3,4
Ветошь, D 14,4 6,2 5,2
Войлок, L 9,1 2,7 2,8
Вся надземная масса (G+D+L) 32,7 12,7 11,4
Живая подземная масса, R 110,4 48,3 42,2
Мертвая подземная масса, V 82,6 37,2 32,5
Вся подземная масса R+V 193,0 83,5 71,0
Вся фитомасса 225,7 96,2 82,4
Доля подземной массы в общей фитомассе, % 85,5 86,8 86,2
Таблица 2
Концентрация калия в естественной фитомассе по типам почв Терско-Кумской низменности, 2011-2016 гг., % в сухой массе
Блок Тип почвы
органического вещества Светло-каштановая Лугово-каштановая Солончак типичный
Зеленая масса, G 2,51 2,42 2,38
Ветошь, D 0,39 0,38 0,39
D : G 0,16 0,16 0,16
Войлок, L 0,42 0,42 0,43
L : D 1,10 1,07 1,03
В подземных органах, R+V 0,50 0,48 0,48
Таблица 3
Запасы калия в фитомассе по типам почв Терско-Кумской низменности,
2011-2016 гг., кг/га
Блок Тип почв
органического вещества Светло-каштановая Лугово-каштановая Солончак типичный
Зеленая масса, G 23,1 9,2 8,1
Ветошь, D 5,6 2,4 2,0
Войлок, L 3,8 1,1 1,2
Всего в надземной массе 32,5 12,7 11,3
В подземных oрганах, R+V 83,0 40,1 34,1
Всего фитомассы 115,5 52,8 45,4
Таблица 4
Баланс калия в естественном фитоценозе по типам почв Терско-Кумской низменности, 2011-2016гг., кг/га
Тип почвы
Показатель Светло-каштановая Лугово-каштановая Солончак типичный
Всего потреблено 115,5 52,8 45,4
Закреплено в ветоши 5,6 2,4 2,0
Возвращено в почву:
- выщелочено из надземных органов; 10,2 10,2 10,2
- выделено прижизненно из подземных органов; 10,0 10,0 10,0
- при разложении войлока; 3,8 1,1 1,2
- при разложении подземных органов. Всего 83,0 107,0 40,1 61,4 34,1 55,1
Баланс -14,1 +6,2 +7,7
Результаты исследований
В условиях Терско-Кумской подпровин-ции по накопленной за период вегетации надземной массе светло-каштановая почва превосходит лугово-каштановую в 2,6, солончак типичный в 2,7 раза, в том числе по зеленой массе (в переводе на воздушно-сухую) - в 2,4 и 2,7 раза (табл. 1).
Это не согласуется с утверждениями многих исследователей о низкой продуктивности почв этого региона (5-7 ц/га, или даже 1-3 ц/га воздушно-сухой биомассы) [1; 2; 7; 10]. Урожайность надземной массы на луго-во-каштановой (засоленной еще с поверхности) почве и солончаке типичном снижается по сравнению с показателями на светло-каштановой почве в 2,6 раза, солончаке типичном автоморфном - в 2,7 раза, а всей фи-томассы на обеих последних типах почв - в 2,6 раза.
В зависимости от типа почв отношение ветоши к зеленой массе (D : G) составляет 1,5-1,6. Доля ветоши от всей надземной массы составляет 0,44 % (светло-каштановая почва) - 0,49 % (лугово-каштановая почва), степного войлока соответственно 0,28 и 0,21 %. На солончаке типичном они занимают промежуточное положение. Основной вклад в формирование растительного органического вещества на светло-каштановой почве внесли злаково-полынная, разнотравно-злаковая, полынно-эфемеровая в комплексе с полынно-солянковыми ассоциаци-ии, на лугово-каштановой почве - эфемеро-полынная, на солончаке типичном эфемеро-во-солянковая ассоциации.
Сравнение видов растений на светло-каштановой, лугово-каштановой почвах и на солончаке типичном показывает, что из 32 общего количества видов растений, свойственных данному фитоценозу, встречается 25 видов на этих типах почв. Лидирующими по числу видов (в убывающем порядке) являются: Poaceae (14) - Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult., Anisantha tectorum L., Bromus squarrosus L, Eragrostic minor Host., Eremopyrum triticeum, Hordeum leporinum Link., Poa bulbosa L. и др.; Chenopodiaceae (8) - Atriplex tatarica L., Ceratocarpus arenar-ius L., Chenopodium rubrum L., Petrosimonia oppositifolia Pall. Litv., Petrosimonia triandra (Pall.), Petrosimonia brachiata (Pall.) Bunge,
Salsola iberica Sennenet Раи., Salsola australis R. Br. ; Asteraceae (4) - Artemisia lercheana Web. ex Stechm., Artemisia taurica Willd., Taraxacum officinale Wigg. Xanthium spinosum L.; Fabaceae (3) - Medicago sativa L., Trigonella polycerata M., Trifolium pretense, Brassicaceae (2) - Alyssum desertorum Stapf., Lepidium perfoliatum L.; Zygophyllaceae (2) -Tribulus terrestris L., Zygophyllum fabago, Caryophyllaceae (2) - Herniaria incana L. Silene conica L.
Температурный фактор имеет основное значение в интенсификации процессов транслокации органического вещества из зеленой массы в ветошь, а в дальнейшем и в войлок, поскольку с увеличением среднемесячной температуры воздуха за период вегетации естественного фитоценоза до 21,1 0С, доля войлока в общей надземной массе увеличивается в среднем на 4,3 % (с 26,4 до 30,7 %).
В накопленной фитоценозом фитомассе значительная часть приходится на долю корней. Но существенных отличий в ее показателях по типам почв не отмечено: 85,5 % на светло-каштановой почве, 86,286,8 % на двух других типах.
Формирование фитомассы биогеоценозов невозможно без активного участия в этом процессе химических элементов, одним из которых является калий. Среднее содержание его составляет около 1 % на сухое вещество, варьируя от 0,5 до 5 % в зависимости от биологических особенностей растений [5; 6]. Калий участвует во многих физиологических процессах, при его недостатке усиливается дыхание в листьях и замедляется фотосинтез, вследствие чего уменьшается накопление сухого вещества в растениях. Он обладает значительной подвижностью в вегетативных частях растений, может легко передвигается из старых листьев в молодые, где интенсивно происходит синтез органического вещества. Несмотря на достаточное количество информации, связанной с локализацией этого элемента на клеточном и субклеточном уровнях [4; 11], недостаточно изученными до сих пор остаются вопросы накопления калия на уровне целого растения, в особенности дикорастующих растений, в зависимости от ряда экологических условий: гидротермических показателей,
типа и степени засоленности почвы. Нашими исследованиями установлено, что в условиях Терско-Кумской низменности концентрация калия по типам почв в целом соответствует накопленному урожаю фитомассы (табл. 3). Самую высокую концентрацию калий имеет в зеленой фитомассе, особенно полученной на светло-каштановой почве. На других типах почв эти показатели снижаются незначительно - на 0,09-0,13 %. В других блоках органического вещества концентрация его снижается существенно: в ветоши в 6,4 (светло-каштановая почва) - 6,1 (солончак типичный) раз, в войлоке - соответственно в 6,0-5,5 раз, в подземной массе - в 5,0-4,9 раза.
Запасы калия в надземных органах на светло-каштановой почве превышают показатели на лугово-каштановой почве и солончаке типичном соответственно в 2,8 и 3 раза (табл. 3).
Соотношение запасов калия в надземной массе к корневой по типам почв колеблется от 0,39 (светло-каштановая) до 0,32 (лугово-каштановая). Из приведенных в таблице данных следует, что на светло-каштановой почве в корнях фитомассы сосредоточено 72 %, на лугово-каштановой и солончаке типичном - соответственно 24-25 % от общего
1. Джапова Р. Р. Динамика растительного покрова Ергененской возвышенности и Прикаспийской низменности в пределах Республики Калмыкия. Автореф. дисс. ... д-ра биол. наук. М. : Изд-во МГУ, 2007. 47 с.
2. Залибеков З. Г., Яруллина Н. А. Первичная биологическая продуктивность экосистем Тер-ско-Кумской низменности Кавказа. Махачкала, 1978. С. 31-35.
3. Комарова Н. В., Каменцев Я. С. Практическое руководство по использованию систем капиллярного электрофореза «КАПЕЛЬ» СПб. : Веда, 2006. 212 с.
4. Куровский А. В. Эколого-физиологические аспекты кальциевого питания травянистых растений. Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. Томск, 2000. 27 с.
5. Льгова Т. И. Эколого-гидрологические факторы антропогенного загрязнения орошаемых земель Терско-Кумской аккумулятивной низменности. Дисс. ... канд. с.-х. наук. Ставрополь, 2000. 143 с.
выноса этого элемента растительным сообществом из почвы.
Результаты исследований показывают, что баланс калия, в приходную часть которого включено количество элемента, закрепленного в ветоши и возвращенного в почву, складывается положительный на лу-гово-каштановой почве и солончаке типичном (табл. 4).
На этих типах почв компенсированность баланса составляет соответственно 120,8 % и 126,6 %, а на светло-каштановой почве -близкий к нему (97,5 %).
Заключение
В условиях Терско-Кумской подпровин-ции по накопленной за период вегетации в надземной массе светло-каштановая почва превосходит лугово-каштановую в 2,6 раз, солончак типичный в 2,7 раза, в том числе по зеленой массе (в переводе на воздушно-сухую) - в 2,4 и 2,7 раза.
Доля корней в общей фитомассе по типам почв существенно не меняется 85,5-86,8 %. На всех типах почв складывается компенсированный 120,8 % (лугово-каштановая почва) и 126,6 % (солончак типичный), или близкий к нему (97,5 % на светло-каштановая), баланс калия.
6. Магомедалиев З. Г. Калий в почвах Дагестана и эффективность калийных удобрений под зерновые культуры в Прикаспийской низменности. Дисс. ... д-ра с.-х. наук. Махачкала, 2006. 324 с.
7. Муратчаева П. М.-С., Хабибов А. Д. О состоянии растительного покрова зимних пастбищ равнинного Дагестана в зависимости от режима использования // Современные наукоемкие технологии. 2008. № 2. С. 92-93.
8. Титлянова А. А., Базилевич Н. И., Снытко В. А. Биологическая продуктивность травяных экосистем. Географические закономерности и экологические особенности. Новосибирск: Наука, 1988. С. 109-127.
9. Черепанов С. К. Сосудистые растения СССР. Л. : Наука, 1981. 510 с.
10. Яруллина Н. А. Первичная биологическая продуктивность почв дельты Терека. М. : Наука, 1983. 73 с.
11. Öztürk L., Demir Y. In vivo and in vitro protective role of proline. Plant Growth Regulation. 2002. V. 38. P. 259-264.
Литература
References
••• Известия ДГПУ. Т. 11. № 3. 2017
••• DSPU JOURNAL. Vol. 11. No. 3. 2017
1. Dzhapova R. R. Dinamika rastitel'nogo pokrova Ergenenskoy vozvyshennosti i Pri-kaspiyskoy nizmennosti v predelakh Respubliki Kalmykiya [Vegetation cover dynamics of Erg-eninsky Highlands and Caspian Lowlands in the Republic of Kalmykia]. Extended abstract of Biology Doctoral dissertation. Moscow, MSU Publ., 2007. 47 p. (In Russian)
2. Zalibekov Z. G., Yarullina N. A. Pervichnaya biologicheskaya produktivnost' ekosistem Tersko-Kumskoy nizmennosti Kavkaza [Primary biological productivity of Terek-Kuma Lowlands ecosystems of the Caucasus]. Makhachkala, 1978. Pp. 31-35. (In Russian)
3. Komarova N. V., Kamentsev Ya. S. Prakticheskoe rukovodstvo po ispol'zovaniyu sistem kapillyarnogo elektroforeza «KAPEL"» [Practical instruction for use of capillary electrophoresis "Kapel" system]. Saint Petersburg Veda Publ., 2006. 212 p. (In Russian)
4. Kurovsky V. A. Ekologo-fiziologicheskie aspekty kal'tsievogo pitaniya travyanistykh ras-teniy [Ecologo-physiological aspects of calcium nutrition of herbaceous plants]. Extended abstract of Ph. D. (Biology) dissertation. Tomsk, 2000. 27 p. (In Russian)
5. Lgova T. I. Ekologo-gidrologicheskie faktory antropogennogo zagryazneniya oroshaemykh ze-mel' Tersko-Kumskoy akkumulyativnoy nizmen-nosti [Ecological and hydrological factors of irrigated Terek-Kuma accumulative Lowlands an-
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации
Асварова Татьяна Азимовна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, лаборатория биогеохимии, Прикаспийский институт биологических ресурсов (ПИБР), Дагестанский научный центр (ДНЦ) Российской академии наук (РАН), Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]
Гасанов Гасан Никуевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Институт экологии и устойчивого развития (ИЭУР), Дагестанский государственный университет (ДГУ); заведующий лабораторией биогеохимии, ПИБР, ДНЦ РАН, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]
Гаджиев Камиль Магомедович, научный сотрудник, лаборатория биогеохимии, ПИБР, ДНЦ РАН, Махачкала, Россия; email: [email protected]
Баширов Рашид Радифович, научный сотрудник, лаборатория биогеохимии, ПИБР, ДНЦ РАН, Махачкала, Россия; email: [email protected]
Ахмедова Заира Нажмутдиновна, научный сотрудник, лаборатория биогеохимии,
thropogenic pollution]. Agricultural Sciences Ph. D. dissertation. Stavropol. 2000. 143 p. (In Russian)
6. Magomedaliev Z. G. Kaliy v pochvakh Dage-stana i effektivnost' kaliynykh udobreniy pod zernovye kul'tury v Prikaspiyskoy nizmennosti [Potassium in the soils of Dagestan and potassium fertilizers efficiency under crops in Caspian Lowlands]. Agricultural Sciences Doctoral dissertation. Makhachkala. 2006. 324 p. (In Russian)
7. Muratchaeva P. M.-S., Khabibov A. D. Status of winter pastures vegetation cover of flat Dagestan according to the mode of use. Sovremennye naukoemkie tekhnologii [Modern high technologies]. 2008. No. 2. Pp. 92-93. (In Russian)
8. Titlyanova A. A., Bazilevich N. I., Snytko V. A. Biologicheskaya produktivnost' travyanykh ekosistem. Geograficheskie zakonomernosti i ekologicheskie osobennosti [Biological productivity of herbal eco-systems. Geographical patterns and ecological features]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1988. Pp. 109-127. (In Russian)
9. Cherepanov S. K. Sosudistye rasteniya SSSR [Vascular plants of the USSR]. Leningrad, Nauka Publ., 1981. 510 p. (In Russian)
10. Yarullina N. A. Pervichnaya biologicheskaya produktivnost' pochv del'ty Tereka [Primary biological productivity of the Terek Delta soils]. Moscow, Nauka Publ., 1983. 73 p. (In Russian)
11. Ozturk L., Demir Y. In vivo and in vitro protective role of proline. Plant Growth Regulation. 2002. V. 38. P. 259-264. (In English)
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS Affiliations
Tatyana A. Asvarova, Ph. D. (Biology), senior researcher, the laboratory of Biogeochemistry, Caspian Institute of Biological Resources (CIBR), Dagestan Scientific Centre (DSC), Russian Academy of Sciences (RAS), Makhachkala, Russia; email: e-mail: [email protected]
Gasan N. Gasanov, Doctor of Agrarian Science, professor, the Institute of Ecology and Sustainable Development (IESD), Dagestan State University (DSU); the head of the the laboratory of Biogeochemistry, CIBR, DSC, RAS, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
Kamil M. Gadzhiev, researcher, the laboratory of Biogeochemistry, CIBR, DSC, RAS, Makhachkala, Russia; e-mail: kamil5555372 @mail.ru
Rashid R. Bashirov, researcher, the laboratory of Biogeochemistry, CIBR, DSC, RAS, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
Zaira N. Akhmedova, researcher, the laboratory of Biogeochemistry, CIBR, DSC, RAS, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
ПИБР, ДНЦ РАН, Махачкала, Россия; email: [email protected]
Абдулаева Айшат Саидмагомедовна, научный сотрудник лаборатории биогеохимии, ПИБР, ДНЦ РАН, Махачкала, Россия; e-mail: [email protected]
Ayshat S. Abdulaeva, researcher, the laboratory of Biogeochemistry, CIBR, DSC, RAS, Makhachkala, Russia; e-mail: [email protected]
Принята в печать 02.02.2017 г.
Received 02.02.2017.
