КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-16-00264
НазваниеПерспективы использования донных отложений рыбоводческих хозяйств северных регионов России для повышения плодородия почв и урожайности агрокультур.
Руководитель Бахмет Ольга Николаевна, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Карельский научный центр Российской академии наук" , Республика Карелия
Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-102 - Агрономия
Ключевые слова Продуктивность, урожайность, продовольственная безопасность, сельскохозяйственные культуры, минеральное питание, химические и физические свойства почвы, физиологические процессы
Код ГРНТИ68.33.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Интенсификация сельскохозяйственного производства основывается на внедрении новых экономически выгодных ресурсосберегающих технологий и приемов, обеспечивающих, в числе прочих, повышение плодородия почв. В качестве частичной замены минеральных удобрений рассматривается и изучается широкий спектр веществ, но вопрос о возможности использования в растениеводстве богатых органическими веществами донных отложений, накапливающихся в зоне влияния рыбоводных хозяйств, остается пока открытым.
Практически все северные территории нашей страны, включая Республику Карелия, входят в зону рискованного земледелия, что связано с неустойчивым климатом и низким плодородием почв. Однако большое количество водоемов Карелии предоставляет возможность их активного использования для культивирования основных объектов аквакультуры – рыбы. В настоящее время это направление сельского хозяйства в Карелии активно развивается, однако эта деятельность связана с высокой экологической нагрузкой на водоемы. Для очистки водоемов в зоне влияния аквакультуры используют метод откачки донных отложений. Мы предполагаем, что богатые органическим материалом и минеральными элементами отложения водоемов аквакультуры могут быть использованы в качестве органоминеральных удобрений или «улучшителей» свойств почв, способствуя, повышению ее плодородия. Улучшение почвенных свойств при внесении донных отложений, как ожидается, положительно отразится на росте и урожайности выращиваемых культур.
Целью данного проекта является оценка влияния донных отложений водоемов аквакультуры на агрохимические и агрофизические свойства почв, а также урожайность культурных видов открытого и защищенного грунта.
Поскольку урожайность культур в значительной степени зависит от их физиологической активности, в данном проекте большое внимание будет уделено изучению влияния отложений на основные растительные процессы. К новизне проекта мы относим решение вопроса о путях влияния органоминеральных отложений на растения – опосредованно через улучшение почвенных свойств, или напрямую через биостимулирование физиологических процессов. Научная новизна проекта также будет заключаться в оценке влияния отложений аквакультуры на способность растений поддерживать активность физиологических процессов в стрессовых условиях, типичных для северных регионов. Для комплексного решения поставленных в проекте вопросов будут использованы методы и подходы агрономии, почвоведения и физиологии растений, применяемые в ходе полевых опытов на площадях открытого и защищенного грунта и в экспериментах с контролируемыми условиями среды. В рамках проекта будут впервые разработаны подходы к улучшению почвенных свойств под воздействием донных отложений, а также выявлены виды сельскохозяйственных культур с наиболее позитивным откликом. Актуальность и важность тематики проекта определяется тем, что научно обоснованная возможность улучшения характеристик почв с использованием отложений водоемов аквакультуры позволит существенно расширить базу агропроизводства в регионах, где неблагоприятные факторы лимитируют продуктивность культур, не позволяя полностью реализовать их биологический потенциал. Кроме того, использование данного вида отложений позволит сократить объемы их накопления, предотвращая, таким образом, ухудшение экологической ситуации в районах с активной рыбоводной деятельностью.
Ожидаемые результаты
1. Главным фундаментальным результатом проекта является получение принципиально новых знаний о влиянии донных отложений водоемов рыбоводных хозяйств Карелии на плодородие почвы и урожайность на примере ряда культурных видов (картофель, салат листовой, однолетние, многолетние травы и прочее). Научно обоснованные технологии применения данного агроприема будут предложены для практического использования, что может способствовать дальнейшему росту производительности в сельскохозяйственном секторе при этом, не нанося ущерба окружающей среде и даже снижая его путем использования донных отложений водоемов аквакультуры;
2. Данные агрохимических свойств почвы (кислотность, содержание углерода, макро- и микроэлементов минерального питания растений), измененных с использованием донных отложений, а также содержание тяжелых металлов в отложениях и почвах позволят выявить перспективы их применения для создания плодородных почвенных субстратов, подходящих для успешного культивирования на них экологически чистых агрокультур и достижения высокой урожайности;
3. Данные агрофизических свойств почвы (гранулометрический состав, плотность, пористость аэрации, водоудерживающая способность, скорость фильтрации, теплопроводность и прочее), содержащих донные отложения, позволят оценить влияние последних на стабильность почвенных агрегатов, водный и тепловой режимы почв, что определяет плодородие почвы, и, как следствие, урожайность культур;
4. Результаты изучения основных физиологических процессов растений (рост, развитие, фотосинтез, дыхание, водный обмен, пигментный состав и пр) позволят оценить механизмы влияния внесения отложений в почву на продуктивность сельскохозяйственных культур и выявить факторы воздействия на активность физиологических процессов, и следовательно, рост, развитие растений и их продуктивность;
5. Физиологическое состояние растений при культивировании их на подготовленных на основе донных отложений почвенных субстратах на фоне воздействия неблагоприятных факторов среды (низкая температура, недостаток элементов минерального питания, загрязнение почвы микропластиком или тяжелыми металлами) позволят выявить роль органоминеральных соединений в повышении устойчивости растений к стрессовым условиям абиотической природы. В дальнейшем эти результаты могут быть использованы для разработки технологий управления ростом и развитием растений при их культивировании в условиях предполагаемых стрессовых воздействий.
Ожидаемые результаты исследований будут содержать принципиально новые знания в области управления продукционным процессом культурных растений, важные как для понимания механизмов повышения урожайности и устойчивости к стрессам, так и актуальные в плане их практического применения для совершенствования технологий возделывания сельскохозяйственных культур. Их уровень будет соответствовать мировому.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Для оценки возможности утилизации донных отложений рыбоводных хозяйств в сельскохозяйственных целях выполнен анализ элементного состава отложений с акцентом на содержание в них углерода, элементов минерального питания, а также тяжелых металлов и металлоидов. Определено, что содержание тяжелых металлов и металлоидов в отложениях аквакультуры весеннего периода сбора не превышает предельно допустимых норм, а отложения характеризовались высоким уровнем содержания фосфора. Оценка агрохимических свойств почвенных субстратов, приготовленных на основе отложений и торфяной почвы, выявила положительный эффект использования отложений, который проявился в повышении содержания в почве фосфора и ванадия, элемента, полезного для растений в малых количествах, а также в снижении токсичных уровней марганца в почве. Также выявлен раскисляющий эффект отложений и потенциальный эффект активизации микробиологической активности почвы.
Исследовано влияние донных отложений рыбоводных хозяйств на прорастание семян и морфометрические параметры проростков овса посевного, ржи озимой, редьки масличной, гороха посевного. Установлено, что максимальной отзывчивостью на применение исходных и особенно разбавленных дистиллированной водой донных отложений (соотношение 1:1) характеризовались представители семейств мятликовых и капустных.
Проведены модельные полевые эксперименты с использованием различных доз донных отложений (30 и 45 т/га), а также минеральных удобрений (N45P60K90) при выращивании редьки масличной, а также трав первого года жизни – тимофеевки луговой, люцерны изменчивой в одновидовых и смешанном посеве. В условиях засушливого периода вегетации растений 2025 г. учет динамики накопления надземной фитомассы редьки масличной выявил, в основном, значимые превышения длины стеблей и количества листьев на фоне внесения N45P60K90 и в сочетании их с донными отложениями в дозе 30 т/га. Использование N45P60K90 обусловило накопление не только надземной, но и подземной биомассы растений. Применение только донных отложений, а также сочетание их повышенной дозы (45 т/га) с N45P60K90 вызвало уменьшение урожая зеленой массы.
Сходная тенденция изменения ростовых показателей многолетних трав первого года жизни получена при использовании N45P60K90 и совместном их применении с донными отложениями в дозе 30 т/га. В одновидовых и смешанном посеве установлен значимый рост линейных параметров растений тимофеевки луговой по сравнению с показателями контроля злакового вида и люцерны изменчивой относительно контролей бобового представителя.
На основе применения низинного торфа и донных отложений установлен оптимальный состав питательного грунта для лучшей приживаемости меристемных растений картофеля при переводе их из стерильных условий. Установлено, что реакция разных по скороспелости сортов имеет свои особенности в зависимости от содержания донных отложений в питательном грунте.
В серии вегетационных опытов и модельных экспериментов при выращивании растений в контролируемых условиях среды выполнена оценка влияния внесения в торфяную почву донных отложений в соотношении 0:1, 1:10, 1:7, 1:5 (отложения : почва) на основные процессы, такие как рост и развитие растений, активность фотосинтетического аппарата и дыхательного метаболизма, водный обмен L. sativa. Выявлено нейтральное влияние отложений на продуктивность растений салата, без существенного изменения в накоплении биомассы в надземной биомассе, но со структурными модификациями, проявившимися в увеличении площади листьев на фоне уменьшения их толщины. Повышение доли листовой поверхности в биомассе растений отражает возможность реализации фотосинтетического и ростового потенциала растений. Отсутствие негативного эффекта утилизации донных отложений рыбоводного хозяйства на сельскохозяйственных полях подтверждено данными спектрального отражения листьев, которые не выявили наличие стрессового состояния растений.
Исследование отклика фотосинтетического аппарата L. sativa на внесение в торфяную почву отложений рыбоводных хозяйств продемонстрировало функциональную модификацию пигментного комплекса растений, состоящую в повышении содержания каротиноидов. Изменения в пигментном комплексе сопровождались усилением скорости фотосинтеза, повышением фотосинтетической эффективности использования света и содержания CO2 в межклеточном пространстве, а также возрастанием устьичной проводимости. Внесение отложений аквакультуры в высокой дозе активизировало дыхательный метаболизм растений, но не влияло на степень его ингибирования светом и долю дыхательных потерь от фотосинтеза.
Исследование влияния донных отложений рыбоводных хозяйств на поглощение растениями макро- и микроэлементов, а также тяжелых металлов и металлоидов продемонстрировало определенный эффект. Так, внесение отложений в почву увеличивало накопление растениями фосфора и повышало эффективность использования калия на фотосинтез.
Выполнена оценка роли отложений аквакультуры в устойчивости растений к загрязнению почвы микропластиком, который вызывал снижение накопления сухой биомассы, растворимых сахаров и крахмала растениями. В условиях загрязнения почвы поллютантом снижалась скорость фотосинтеза и устьичная проводимость растений, но усиливалось дыхание и объемы дыхательных затрат от фотосинтеза. Внесение в загрязненную почву донных отложений аквакультуры способствовало восстановлению фотосинтетической активности растений и смещению углеродного баланса растений в сторону накопления углерода, что отразилось на повышении продуктивности L. sativa. Использование отложений способствовало повышению поглощения азота растениями при их росте на загрязненной почве.
Выполненное исследование расширило наше понимание потенциала использования донных отложений аквакультуры в качестве частичной замены дорогостоящих удобрений и возможность утилизации без нанесения вредного воздействия на окружающую среду.
Публикации
1. ИККОНЕН Е.Н., ПОПОВА Т.Н., БУТЫЛКИНА М.А., ЮРКЕВИЧ М.Г. ВЛИЯНИЕ ИЗБЫТОЧНО АКТИВНОГО ИЛА НА СВОЙСТВА ПОЧВЫ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ЛИСТОВОГО САЛАТА Агрофизический научно-исследовательский институт РАСХН, Санкт-Петербург, Материалы Международной научной конференции «Тенденции развития агрофизики: от актуальных проблем земледелия и растениеводства к технологиям будущего» Санкт-Петербург, 17–19 сентября 2025 года, ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, – СПб.: ФГБНУ АФИ, 2025, С. 91-93. (год публикации - 2025)
2. Икконен Е.Н., Репкина Н.С., Батова Ю.В., Антонова Е.П., Бахмет О.Н. Lactuca sativa L. Responses to Aquaculture Sediment Application Russian Journal of Plant Physiology, 2026, Vol. 73, № 1. (год публикации - 2026)
3. Икконен Е., Луконин И., Репкина Н., Батова Ю., Антонова Е., Евстратова Л., Ткаченко Ю., Попова Т., Нестеров Г., Бахмет О. Effect of aquaculture sediment on soil properties and lettuce growth Eurasian Soil Science, 2026, volume 59, issue 3 (год публикации - 2026)
4. Бахмет О.Н., Евстратова Л.П., Николаева Е.В. ВЛИЯНИЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ФОРЕЛЕВОГО ХОЗЯЙСТВА НА ПРОРАСТАНИЕ СЕМЯН НЕКОТОРЫХ ПОЛЕВЫХ КУЛЬТУР Вестник российской сельскохозяйственной науки (год публикации - 2026)
5. Икконен Е.Н., Репкина Н.С., Бахмет О.Н. РОСТ, ФОТОСИНТЕЗ И ДЫХАНИЕ ЛИСТОВОГО САЛАТА В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ МИКРОПЛАСТИКОМ ООО "Бук", Казань, Растения в изменяющемся климате: адаптация, устойчивость и продукционный процесс : тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием в рамках годичного собрания Общества физиологов растений России (г. Якутск, 24 июня — 1 июля 2025 г.) / Общество физиологов растений России, ФИЦ «Якутский науч. центр СО РАН», Ин-т физиологии растений РАН им. К.А. Тимирязева, Ин-т биол. проблем криолитозоны СО РАН ; под ред. Т.Х. Максимова, В.В. Нохсорова. — Казань : Бук, 2025. — 250 с. — Текст : электронный. (год публикации - 2025)