Influence of mineral, organic, organomineral fertilization on winter hardiness components of columnar apple tree (Malus domestica Borkh.)

Intensive biological technologies of apple-tree cultivation with application of organic and mineral fertilizers form high nitrogen nutrition, thus leading to prolonged growth of fruit plants and reducing their winter hardiness. Columnar apple tree fail to demonstrate high potential for winter hardiness. Therefore, research into regularities and mechanisms behind the influence of nutritional status of columnar apple tree on indicators of plant winter hardiness is considered relevant. The research was aimed at establishing the influence of mineral, organic, organomineral fertilization on the components of winter hardiness of columnar apple trees grown on podzolic soil. Materials and methods. The research involved the ‘Triumph’, ‘President’, ‘Ostankino’ columnar apple varieties, as well as organic and mineral fertilizers. The experiment was conducted in 2016–2021 in the agrochemical experiment station of the Federal Horticultural Center for Breeding, Agrotechnology and Nursery (Moscow region) on podzolic soil of medium-loam particle size distribution. The experimental design included 4 variants: 1) control without fertilizers; 2) N₉₀K₉₀; 3) organic fertilizers 100 t/ha; 4) N₉₀K₉₀ organic fertilizers 100 t/ha. Naa (ammonium saltpeter), KCl mineral fertilizers were applied annually, organic fertilizer (horse manure with sawdust) was applied in 2014. Winter hardiness components and plant samples were analyzed according to generally accepted methods. According to the research into the influence of mineral, organic, organomineral fertilization on the components of winter hardiness of columnar apple tree (Malus domestica Borkh.) grown on podzolic soil in the conditions of the Moscow region, the fertilizer is found inefficient in terms of providing the optimal level of nitrogen nutrition of columnar apple tree plants, except for ‘Triumph’ variety when getting organic fertilizers at a dose of 100 t/ha. In January, fructose prevailed in the sugars of annual shoots of columnar apple tree plants. The ‘Triumph’ and ‘President’ varieties showed a tendency to increase in the content of fructose and glucose as compared with the control when getting organic fertilizers and their combination with mineral fertilizers. The same tendency was observed in the ‘Ostankino’ variety for the content of ascorbic acid in annual shoots, whereas this indicator of the ‘Triumph’ and ‘President’ varieties demonstrated the opposite trend. The ascorbic acid content in annual shoots in winter appeared consistent with its content in August shoots and remained independent on the content in leaves in August. With a decrease in temperature to -40 °C (component II of winter hardiness), the ‘Triumph ‘and ‘Ostankino’ varieties suffered reversible damage to the vegetative buds from 0 to 2.0 points, the ‘President’ variety introduced with 100 tons/ha organic fertilizers demonstrated an increase in damage to the vegetative buds to 3.17 points. The greatest damage to reproductive buds in the ‘President’ and ‘Ostankino’ varieties (3.85-3.91 on the control) was observed in component II of winter hardiness. The application of mineral and organic fertilizers increased these damages to complete death of reproductive buds. Injuries to bark, cambium in all variants of the studied varieties did not exceed 2.0 points. Wood appeared more damaged in the ‘Ostankino’ variety (up to 4.03 points in the combined application of N₉₀K₉₀ and 100 t/ha of organic fertilizers) as well as in the Triumph variety (up to 3.80 points in the N₉₀K₉₀ variant). As for component III of winter hardiness, an irreversible damage was noted for reproductive buds of the studied varieties in all variants of the experiment. In terms of component IV of winter hardiness, irreversible changes occurred in reproductive buds to the greatest extent (complete death in the ‘Triumph’ and ‘President’ varieties); in the tissue under reproductive buds, to the greatest extent in the ‘President’ variety (3.07 points in the variant of 100 tons/ha of organic fertilizers) and in the ‘Ostankino’ variety (2.76 points in N₉₀K₉₀), at the core, the maximum damage was noted in the N₉₀K₉₀ variant in the ‘Triumph’ (3.22 points) and ‘Ostankino’ (2.76 points) varieties.

1. Reganold, J. P., Glover, J. D., Andrews, P. K., Hinman H. R. Sustainability of three apple production systems. Nat. Cell Biol. 2001, 410. 926-930.

2. Tomek de Ponti, Bert Rijk, Martin K. van Ittersum. The crop yield gap between organic and conventional agriculture. Agric. Syst. 2012, 108. Р. 1-9.

3. Дорошенко Т. Н., Бузоверов А. В., Кондратенко А. Н. и др. Органические сады на юге России/Монография. Краснодар: КубГАУ, 2012. 141 с.

4. Коновалов С. Н., Бобкова В. В. Эффективность минеральной и органоминеральной систем удобрения яблони колонновидной (Malus domestica) на дерновоподзолистой почве. // Садоводство и виноградарство. 2022;(1):21-30. https://doi.org/10.31676/0235-2591-2022-1-21-30.

5. Kai T., Kubo M. Chemical and biological properties of apple orchard soils under natural, organic, hybrid, and conventional farming methods. J. Agric. Chem. Environ. 2020, 9. С. 134-146.

6. Kai T., Adhikari D. Effect of Organic and Chemical Fertilizer Application on Apple Nutrient Content and Orchard Soil Condition. Agriculture 2021, 11, 340. https://doi.org/10.3390/agriculture11040340.

7. Amaya A., Merwin I. A., Brown M. G. Long-term Effects of Four Groundcover Management Systems in an Apple Orchard/ Hort. Science, 2011, v. 46(8). P. 1176-1183.

8. Zhang L., Zhou J., Zhao Y.G., Zhai Y., Wang K., Alva A.K., Paramasivam S. (2013) Optimal Combination of Chemical Compound Fertilizer and Humic Acid to Improve Soil and Leaf Properties, Yield and Quality of Apple (Malus domestica). Pakistan Journal of Botany, 45. 1315-1320.

9. Kai T., Kubo M. Chemical and biological properties of apple orchard soils under natural, organic, hybrid, and conventional farming methods. J. Agric. Chem. Environ. 2020, 9. 134-146.

10. Peck G. M., Andrews P. K., Reganold J. P., Fellman J. K. Apple orchard productivity and fruit quality under organic, conventional, and integrated management. HortScience 2006, 41, 99-107.

11. Mosa W., Paszt L., Frąc M., Trzciński P. (2015) The Role of Biofertilization in Improving Apple Productivit. A Review. Advances in Microbiology, 5. Р. 21-27. doi: 10.4236/aim.2015.51003.

12. Neilsen G. H., Hogue E. J., Neilsen D., Forge T. (2004). Use of organic applications to increase productivity of high density apple orchards. Acta Hortic. 638, 347-356. DOI: 10.17660/ActaHortic.2004.638.46; https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2004.638.46.

13. Grzyb Z. S., Piotrowski W., Bielicki P., Sas L., Malusà E. Effect of organic fertilizers and soil conditioners on the quality of maiden apple trees. Acta Horticolturae. 2013/07/01. Vol.-1001Р. 311-322. DOI 10.17660/ActaHortic.2013.1001.35.

14. Коновалов С. Н., Бобкова В. В. Агроэкологическое значение биологизированных методов удобрения яблони колонновидной (Malus domestica BORKH.)/ Биосфера, 2022, № 4, т. 1. С. 338-343. DOI: 10.24855/biosfera.v14i4.696.

15. Wang L. Yang F. Yaoyao E. Yuan J. Raza W. Huang Q. & Shen, Q. Long-Term Application of Bioorganic Fertilizers Improved Soil Biochemical Properties and Microbial Communities of an Apple Orchard Soil. Front. Microbiol., 2016. Open Access at 10.3389/fmicb.2016.01893.

16. Zuoping Z. Sha, Y. Fen, L. Puhui, J. Xiaoying, W. & Yan’an, T. Effects of chemical fertilizer combined with organic manure on Fuji apple quality, yield and soil fertility in apple orchard on the Loess Plateau of China/ International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2014, №7(2). P. 45-54.

17. Kopytko Р., Karpenko V., Yakovenko R., Mostoviak I. Soil fertility and productivity of apple orchard under a long-term use of different fertilizer systems/ Agronomy Research, 2017. 15(2). P. 444-455.

18. Tamara V. R., Nadezhda G. K., Natalya A. M. (2005) Influence of soil application of biological and mineral fertilizers on the growth, yield, and fruit biochemical components of ‘charavnitsa’ apple, and on some agrochemical soil characteristics. Acta Scientiarum Polonorum, Hortorum Cultus. 4. 59-67.

19. Swezey S. L., Werner M. R., Buchanan M., Allison J. Comparison of conventional and organic apple production systems during three years of conversion to organic management in coastal California. Am. J. Altern. Agric. 1998, 13, 162-180.

20. Коновалов С. Н., Бобкова В. В. Удобрение и показатели устойчивости продуктивности растений яблони колонновидной на дерново-подзолистой почве: мат. междунар. науч.-практ. конф. 28-29 сентября 2017 г., посв. 90-летию Салманова А. С. «Актуальные вопросы садоводства ЦЧР в современных условиях России: ФГБОУ ВО ВГАУ им. императора Петра I: Воронеж, 2017. 41-47.

21. Коновалов С. Н., Бобкова В. В. Адаптивность яблони колонновидной при органоминеральной системе удобрения на дерново-подзолистой почве: Научное обеспечение устойчивого развития плодоводства и декоративного садоводства: мат. междунар. науч.-практ. конф., посв. 125-летию ВНИИЦиСК и 85-летию Ботанического сада «Дерево Дружбы», 2019. 209-213.

22. Кичина В. В. Колонновидные яблони. М.: ФГБНУ ВСТИСП, 2006. 162 с.

23. Земисов А. С., Савельева Н. Н., Юшков А. Н., Чивилев В. В., Борзых Н. В. Устойчивость гибридов колонновидной яблони к низким температурам в осеннезимний период. Плодоводство и ягодоводство России. 2020; 63(1):70-76. https://doi.org/10.31676/2073-4948-2020-63-70-76.

24. Соболев Г. И., Чернышков В. В., Саксонов С. С. Оценка полевой устойчивости к парше и зимостойкости колонновидных яблонь в условиях Самарской области. // Самарский научный вестник. 2020. Т. 9, № 4. С. 153-158. DOI: 10.17816/snv202094123.

25. Havryliuk О., Kondratenko T., & Mazur, B. (2022). Морозостійкість яблуні колоноподібного типу методом прямого проморожування. Наукові доповіді НУБіП України, 0(6(100)). DOI: http://dx.doi.org/10.31548/dopovidi2022.06.004.

26. Ненько Н. И., Киселева Г. К., Караваева А. В. Морозоустойчивость побегов яблони по гистохимическим и физиологическим параметрам. Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований. 2013. № 3. С. 10-14.

27. Репях М. В. Анализ биохимического состава побегов сорта яблони золотой шип на территории ботанического сада им. ВС. М. Крутовского. // Плодоводство и ягодоводство России. 2018;53:66-72.

28. Христо А. А. Динамика сахаров в период покоя и зимостойкость яблони в условиях Новосибирской области. Сб. «Растительные ресурсы Сибири, Урала и Дальнего Востока». Новосибирск: Наука, 1965. С. 432-436.

29. Савин Е. З. Биохимические изменения в компонентах зимних прививок яблони и вишни в зависимости от температуры срастания и сроков прививки. Бюлл. Оренбургского НЦ УрО РАН. 2012. № 4. С. 1-26.

30. Hudina M., and Stampar F. (2006). Influence of frost damage on the sugars and organic acids contents in apple and pear flowers. European Journal of Horticultural Science. 71. p. 161-164.

31. Красова Н. Г., Макаркина М. А., Янчук Т. В., Павел А. Р., Соколова С. Е. Содержание аскорбиновой кислоты в вегетативных органах и плодах яблони. // Садоводство и виноградарство. 2014, № 3. С. 40-44.

32. Репях М.В. Анализ биохимического состава побегов сорта яблони золотой шип на территории ботанического сада им. ВС.М. Крутовского. // Плодоводство и ягодоводство России. 2018;53:66-72.

33. Гурьянова Ю. В. Повышение зимостойкости и продуктивности яблони регулированием устойчивости покоя органическим и минеральным питанием: диссертация ... доктора сельскохозяйственных наук: 06.01.08 . ФГБОУ ВО «Мичуринский государственный аграрный университет». Мичуринск, 2015. 280 с.

34. Трутнева Л. Н. Содержание антоцианов, хлорофилла и аскорбиновой кислоты в сортах и подвоях сорто-подвойных комбинаций яблони. // Вестн. МичГАУ, №1, ч. I. 2011. С. 72-75.

35. Усова Г. С., Трутнева Л. Н., Романов М. В., Усов С. В. Хозяйственно-биологические особенности краснолистных и зеленолистных слаборослых клоновых подвоев яблони и сорто-подвойных комбинаций на них. // Вестник МичГАУ, №1, Ч. 1, 2012. С. 29-32.

36. Соловьева М. А., Починок Х. Н. Сезонные изменения содержания антоцианов и использование спектральных плотностей их для характеристики зимостойкости яблони и абрикоса. //Садоводство. 1981. Вып. 29. с. 57.

37. Чурикова Н. Л., Тарова З. Н. Диагностика содержания антоцианов в коре однолетних побегов новых перспективных клоновых подвоев яблони селекции Мичуринского агроуниверситета. // Селекция и сорторазведение садовых культур Т.6. № 2. 2019. С. 99-102.

38. Тюрина М. М., Гоголева Г. А., Ефимова Н. В., Голоулина Л. K., Морозова Н. Г., Эчеди Й. Й., Волков Ф. А., Арсентьев А. П., Матяш H. A. Определение устойчивости плодовых и ягодных культур к стрессорам холодного времени года в полевых и контролируемых условиях. Методические указания. М., 2002. - 120 с.

39. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М.: АльянС, 2014. 352 с.

40. Программа и методика сортоизучения плодовых, ягодных и орехоплодных культур: под ред. Е. Н. Седова и Т. П. Огольцовой: ВНИИСПК: Орёл, 1999. 608 с.

41. Гинзбург Е. К., Щеглова Е. К. Определение азота, фосфора и калия в растительном материале из одной навески. //Почвоведение, 1960; 5:100-105.

42. Методы биохимического исследования растений. Под ред. А. И. Ермакова. Л.: Агропромиздат, 1987. С. 128-132.

43. М 04-92-2020 Пищевые продукты, продовольственное сырьё, пищевые и кормовые добавки. Методика измерений массовой доли фруктозы, глюкозы, лактозы и сахарозы методом капиллярного электрофореза с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель». ООО «Люмэкс», Санкт-Петербург, 2020. 42 с.

44. Комарова Н. В., Каменцев Я. С. Практическое руководство по использованию систем капиллярного электрофореза «КАПЕЛЬ» — СПб.: ООО «Веда», 2006. 212 с.