CC BY
16
УДК 631.41
В. И. Савич, С. Л. Белопухов, В. В. Гукалов, И. Г. Шайхиев
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ГУМАТОВ ИЗ БИОМАССЫ РАСТЕНИЙ И ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ. 2. АГРОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОДУКТОВ ИСПАРЕНИЙ
ИЗ ПОЧВ И ТРАНСПИРАЦИИ ИЗ РАСТЕНИЙ
Ключевые слова: плодородие, испарение из почв, транспирация растений, тяжелые металлы, токсиканты.
Исследован химический состав испарений из почв и в продуктах транспирации из растений и измерены концентрации биофильных элементов, токсикантов, биологически активных соединений, что дает информацию о почвенном плодородии и загрязнении почв, их агроэкологической характеристике, физиологическом состоянии растений. Показано отличие воздушных выделений по энергетике. Предлагается использовать рассматриваемые параметры для идентификации состояния системы почва-растение и разработки новых экологически чистых способов защиты растений.
Keywords: fertility, the evaporation from the soil, plant transpiration, heavy metals, toxicants.
The chemical composition of the soil vapors and products transpiration from plants and measured concentration biophilic elements toxins, biologically active compounds has been identified. The experimental results provide information on soil fertility and soil pollution, their agro-ecological characterization, physiological state of the plant. It has been shown distinct air discharge energy. The authors propose to use the results of research to identify the state of the soil-plant systems and the development of new methods ofplant protection.
Введение
Влияние сельскохозяйственных культур друг на друга обусловлено конкуренцией за свет, пространство в почве и на ее поверхности, воду, тепло и элементы питания, биологически активные, стимулирующие поля. Кроме этого, влияние культур на соседей связано с их воздушными экзаметаболитами, корневыми выделениями, биологически активными веществами, физическими полями, давлением, прижизненными выделениями листьев и стеблей, опадом растений и продуктами его разложения, с изменением физико-химических и коллоидно-химических свойств почв в прикорневой зоне [1-9]. При этом воздушные выделения одних растений действуют на другие, а эффект такого действия может быть, как положительным, так и отрицательным [10, 11].
Продукты испарения из почв и транспирации из растений оказывают существенное влияние на биопродуктивность сельскохозяйственных угодий, экологическое состояние водной и воздушной среды. Среди них выделяется более 10000 компонентов, однако наибольшее практическое значение имеет изучение следующих газовых компонентов: кислорода, углекислого газа, сероводорода, метана, ацетилена, соединений азота, летучих экзаметаболитов почв и растений, токсикантов биоты, радиоактивных газов. Очевидно, что названные составляющие баланса характеризуются разной интенсивностью для отдельных почв, растений, условий увлажнения и температуры и являются функцией содержащихся в почве и в растениях компонентов, способных к миграции в воздушную среду. При прочих равных условиях, чем больше почва обеспечена водорастворимыми формами биофильных элементов и токсикантов. И тем больше их
мигрирует из почв с испарениями и из растений - с транспирацией в воздушную среду, при этом применение защитно-стимулирующих комплексов, как было показано ранее на зерновых и технических сельскохозяйственных культурах, также может изменять кинетику массопереноса этих компонентов [12-22].
В связи с вышесказанным, цель работы состояла в анализе продуктов испарения из почв и транспирации из растений для оценки плодородия почв, характера и степени их деградации, состояния и болезней растений. Последнее представляет особый интерес, поскольку углубленный анализ метаболитов больных и здоровых растений позволяет найти новые способы защиты растений и повышения биопродуктивности угодий.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования выбраны различные типы почв Российской Федерации, древесные культуры и биотесты: редис и кресс-салат, характеристика которых была дана ранее [13, 23-25]. Методика исследования состояла в улавливании продуктов испарения из почв и транспирации растений [25], в анализе химического состава конденсатов [24, 25], их биологической активности с использованием биотестов [25], в изучении инфракрасных спектров и дериватограмм конденсатов [25, 26], в оценке энергетического состояния конденсатов [27, 28]. Исследования проведены в УНЦКП «Сервисная лаборатория комплексного анализа химических соединений» РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева.
Результаты и обсуждение
Продукты испарений из почв и транспирации из растений существенно отличаются по химическому
составу. По полученным нами данным, в конденсате влаги, испарившейся из почвы поймы р. Сухона (зона дерново-подзолистых почв) содержалось К -5,5±4,1; Са - 1,2±0,1; Мд - 0,3±0,2; Ре - 4,2±3,7; Мп - 0,01 мг/дм3.
По полученным ранее данным, содержание свинца в продуктах транспирации из клена, ясеня, липы, березы достигало 0,11-0,28 мг/дм3; меди -0,02-0,20 мг/дм3. Содержание тяжелых металлов в продуктах транспирации из древесных культур, развивающихся в городских условиях, составляло: Ре - 0,04; Си - 0,04; 2п - 0,03; РЬ - 0,02 мг/дм3, увеличиваясь вблизи автотрассы по РЬ - до 0,25 мг/дм3, Си - до 0,25 мг/дм3 [13].
Состав продуктов транспирации из листьев яблонь, развивающихся на хорошо окультуренных дерново-подзолистых почвах, составлял: Са -19,9±6,1; Мд - 18,9±5,1; Ре - 0,4±0,2; Мп -0,02±0,01; 2п - 1,7±0,7; К - 8,8±2,4 мг/дм3.
Концентрация катионов в продуктах транспирации из растений зависела от плодородия почв и степени их загрязнения. По результатам исследований содержание свинца в продуктах транспирации из клена составляло 0,15 мг/дм3, из одуванчика - 0,23; из подорожника - 0,28; из мать-и-мачехи - 0,28 мг/дм3; а содержание меди, соответственно, 0,02; 0,13; 0,03; 0,09 мг/дм3. При обогащении почв и клена свинцом, содержание его в продуктах транспирации возросло до 0,18 мг/дм3. При обогащении растений медью содержание ее в продуктах транспирации увеличилось в одуванчике до 0,27; в подорожнике - до 0,35; в мать-и-мачехе -до 0,26 мг/ дм3.
По полученным нами данным, в испарениях из куриного помета присутствовали органические соединения с характерными пиками поглощения в ИК-спектрах при 1650 см-1, 1300 см-1, 2125 см-1 и 1850 см-1, что соответствует наличию в воздушных выделениях ароматических углеводородов, внутрикомплексных соединений, групп СН2, СН3, ацетиленов.
Данные дериватографии также показали наличие в воздушных испарениях из помета с опилками органических соединений, сгорающих, как при температуре 200 0С (алифатические соединения), так и при температуре 500 0С (ароматические соединения). Энергия активации реакций сгорания продуктов испарений из помета колебалась от 40 до 260 кДж/моль.
Продукты испарения из почв и транспирации из листьев растений обладают определенной энергетикой. В проведенных нами исследованиях их энергетическая характеристика оценивалась по данным газоразрядной визуализации (ОКБ) и по составу аэроионов [11, 28].
Так, по полученным данным, продукты транспирации из листьев яблонь характеризовались следующими энергетическими показателями: для яблони, растущей на дерново-подзолистой почве нормального увлажнения - средняя интенсивность пика (отн. ед.) 78,9±0,2; энтропия по изолинии -1,5±0,2; фрактальность по изолинии - 1,7±0,1; длина изолинии - 136,3±10,5. Для яблони, развивающейся
на почве избыточного увлажнения, эти показатели были соответственно равны - 77,9±0,1; 1,8±0,1; 1,9±0,1; 130,3±21,6. Интегральные показатели энергетики составили для продуктов транспирации из листьев яблони на автоморфной почве 0,92; на полугидроморфной - 0,99.
Для продуктов испарения из черноземов средняя интенсивность пика составляла (отн. ед.) 85,8±3,1; энтропия по изолинии - 1,5±0,1; фрактальность по изолинии - 1,8±0,03; длина изолинии - 165,6±26,7; для продуктов испарения из серозема и дерново-подзолистой почвы эти показатели были соответственно равны 82,9±2,7 и 79,6±3,1; 1,7±0,05 и 1,5±0,04; 1,6±0,03 и 1,7±0,02; 191,1±17,0 и 145,3±15,2.
В продуктах испарения из городской почвы содержание положительно заряженных аэроионов составляло 0,26±0,10 (а • 103 см-3); содержание отрицательно заряженных - 1,26±0,56 (а • 103 см-3); коэффициент униполярности составлял 27,6±20,8. В продуктах испарения из чернозема рассматриваемые показатели были соответственно равны 1,6±0,3; 1,2±0,2 и 1,7±0,3, а для продуктов испарения из серозема, соответственно, 0,86±0,20; 0,21±0,06 и 118,5±47,4.
Состав продуктов транспирации из листьев растений являлся индикатором состояния растений. Продукты транспирации из листьев гибнущего дерева яблони, развивающегося на гидроморфных почвах, отличались большим содержанием калия, меньшим кальция, большим содержанием марганца и более узким отношением Са:Мд, более широким отношением (Ре+Мп):(Са+Мд).
По полученным нами данным, испарения из почв и продукты транспирации из растений оказывали биологическое действие на развитие проростков. Так, под влиянием испарений из дерново-подзолистых почв, удобренных высокими дозами помета с опилками (до 1000 т/га), длина корней и стеблей проростков кресс-салата составляла следующие величины: из горизонта Ап: корни -81,3±4,9; стебли - 26,0±3,8 мм; из горизонта А2В: корни - 31,1±5,1; стебли - 25,2±2,1 мм.
Газообразные продукты, выделенные из почв в полевых условиях, изменили прорастание семян пшеницы «Омская-18» (в % к контролю): на черноземе тяжелосуглинистом: корни - до 275 %, стебли - до 120 % для испарения из горизонта Ап и до 75 % и 60 %, соответственно, для воздушных выделений из горизонта Вк.
По полученным данным, воздушные выделения из почв влияли, как на прорастание семян кресс-салата, так и на скорость их развития, соотношение корневой и надземной частей. На 7-ой день проращивания семян размер корней и стеблей редиса в контрольном варианте составлял 2,0±0,2 и 5,1±0,7 см, а под влиянием воздушных выделений из серой лесной почвы - 2,1±0,2 и 8,9±0,7 см. На 7-ой день развития проростков кресс-салата длина корней и стеблей в контрольном варианте составляла 7,6±0,3 и 2,1±0,1 см, а под влиянием воздушных выделений из серой лесной оглеенной намытой почвы, соответственно, 97,0±5,9 и 21,6±0,7
см. Биологическое действие продуктов испарения из разных горизонтов почв существенно отличалось, что иллюстрируют данные таблицы 1.
Таблица 1 - Влияние продуктов испарения из серых лесных почв на развитие проростков пшеницы «Безенчукская-182», I = 1 неделя
Горизонт Размер, см
корни стебли
Ап 9,4±0,6 5,1±0,1
А1 9,6±0,5 5,2±0,2
А2В 7,4±1,3 4,7±0,6
погребенный 2,5±0,3 2,9±0,6
Ве 4,5±0,3 3,2±0,2
Как видно из представленных данных, продукты испарения, сорбированные активированным углем из гумусового горизонта серой лесной почвы, стимулировали развитие корней и стеблей проростков, а из погребенного и глеевого горизонтов - угнетали.
Продукты транспирации листьев разных сортов яблони в различной степени влияли на прорастание семян кресс-салата. Так, под влиянием продуктов транспирации из листьев яблони сорта «Мечта-2», размер корней и стеблей проростков, соответственно, составлял 1,9±0,4 и 2,9±0,4 см, для сорта «Народное-1» - 2,0±0,1 и 0,5±0,1 см. В то же время, под действием продуктов транспирации листьев сорта «Татьянин день-3» размер корней биотеста составлял 4,8±0,5 см и стеблей - 3,5±0,2 см.
Растения не только выделяют с транспирацией продукты в воздушную среду, но и поглощают биофильные элементы и токсиканты из воздушной среды. Величина листового поглощения ионов растениями может достигать 60 % от массы находящихся в воздухе веществ за период вегетации [13, 29]. По данным, полученным Шатиловым И. С. и Замараевым А.Г. [23], аммиак из атмосферного воздуха вступает в биохимические процессы и накапливается в различных органах пшеницы и кукурузы. При содержании в воздухе аммиака до 30 мкг/м3 его поглощение составляло 6,7 кг/га, а при содержании в воздухе 120 мкг/м3 - до 40-60 кг на 1 га за весь вегетационный период. По полученным нами данным, растения весь сезон развивались, питаясь только из воздушной среды, обогащенной испарениями из разлагающихся растительных остатков.
Заключение
Таким образом, продукты испарения из почв и транспирации растений характеризуют состояние системы почва-растение, плодородие почв, их загрязнение, причины угнетения растений. Показатели химического состава и биологической активности продуктов испарения из почв и транспирации растений целесообразно использовать при мониторинге состояния почв и разработке новых способов защиты растений при
экстремальных почвенно-погодных условиях и развитии болезней.
Литература
1. Т.В. Шнее, В .А. Кончиц, А.А. Шевченко, С. Л. Белопухов, Бутлеровские сообщения, 21,7, 74-77 (2010).
2. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.В. Гукалов, Д.С. Скрябина, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 18, 12, 185-188 (2015).
3. В.Н. Гукалов, В.И. Савич, С.Л. Белопухов, О.А. Шапкина, В.В. Верхотуров, Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 5 (127), 5864 (2015).
4. В.А. Кончиц, С.Л. Белопухов, Т.А. Федорова, Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство, 4, 33-41 (2015).
5. Т.В. Шнее, С.Л. Белопухов, В.А. Кончиц, Т.А. Фёдорова, Теоретические и прикладные проблемы агропромышленного комплекса, 2(23), 12-14 (2015).
6. В.Н. Гукалов, В.А. Черников, В.И. Савич, С.Л. Белопухов, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 178-183 (2014).
7. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.Н. Гукалов, К.С. Елисеев, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 22, 194-197 (2014).
8. Т.В. Шнее, С.Э. Старых, Т.А. Фёдорова, М.Д. Маслова, С.Л. Белопухов, А.А. Шевченко, Плодородие, 3, 33-35 (2014).
9. Е.Э. Нефедьева, В.И. Лысак, С.Л. Белопухов, Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 6(11), 38-53
(2014).
10. Н.М. Жирмунская, Хорошие и плохие соседи на огородной грядке, Маркетинг, Москва,1996. 50 с.
11. А.Х. Тамбиев, Реакционная способность экзаметаболитоврастений, МГУ, Москва, 1984. 72 с.
12. Т.Я. Гехаев, Автореф. дисс. докт. биол. наук, М.: ВНИИА, 2008. 38 с.
13. В.И. Савич, Д.Н. Никиточкин, В.А. Седых, Оптимизация свойств почв в период интенсивного ведения сельскохозяйственного производства, ВНИИА, РГАУ-МСХА, Москва, 2014. 453 с.
14. Т.И. Шатилова, И.С. Витол, Я.П. Герчиу, С.Л. Белопухов, В.Т. Семко, Достижения науки и техники АПК, 12, 47-48 (2010).
15. С.Л. Белопухов, А.В. Жевнеров, Е.В. Калабашкина, И.И. Дмитревская, Бутлеровские сообщения, 32, 10, 7275 (2012).
16. С.Л. Белопухов, П.Д. Бугаев, М.Е. Ламмас, И.С. Прохоров, Агрохимический вестник, 5, 19-21 (2013).
17. С.Л. Белопухов, И.И. Дмитревская, В.Г. Лабок, Ю.В. Кулемкин, Г.П. Толмачев, Бутлеровские сообщения, 31, 7, 124-128 (2012).
18. S.L. Belopukhov, E.A. Grishina, I.I. Dmitrevskaya, V.M. Lukomets, I.V. Uschapovsky, Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии, 4, 71-81 (2015).
19. И.И. Дмитревская, Д.С. Степанова, С.Л. Белопухов, В.А. Раскатов, Достижения науки и техники АПК, 29, 10, 50-52 (2015).
20. С. Л. Белопухов, И. И. Дмитревская, Д. С. Степанова,
B.А. Раскатов, И.С. Прохоров, Агроэкология, 1, 1, 44-47
(2015).
21. Е.И. Кошкин, И.В. Андреева, С.Л. Белопухов, Агрохимия, 8, 79-87 (2014).
22. А.Ю. Пузырева, В.Ю. Гребенщиков, В.В. Верхотуров,
C.Л. Белопухов, Р.Ф. Байбеков, Плодородие, 1, 26-27 (2014).
23. А.Г. Замараев, В.И. Савич, В.Г. Сычев, Энергомассообмен в звене полевого севооборота, ч.2, ВНИИА, Москва, 2005. 336 с.
24. В.И. Савич, Ю.В. Федорин, Почвы мегаполисов: их экологическая оценка, использование и создание, Агробизнесцентр, Москва, 2007. 660 с.
25. В.И. Савич, Методы исследования почвенного раствора и газового режима почв, РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, Москва, 2011. 200 с.
26. М.Д. Маслова, С.Л. Белопухов, Е.С. Тимохина, Т.В. Шнее, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 121-127 (2014).
27. К.Г. Коротков, Основы биоэлектрографии, ИТМО, СПб, 2001. 360 с.
28. А.А. Стехин, Г.В. Яковлева, Оструктуренная вода: нелинейные эффекты, ЛКИ, Москва, 2008. 320 с.
29. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, А.А. Носкова, Агро XXI, 10-12, 36-38 (2014).
©В. И. Савич - доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева (РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева), [email protected]; С. Л. Белопухов - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой физической и органической химии того же вуза; В. В. Гукалов - соискатель кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения того же вуза; И. Г. Шайхиев - доктор технических наук, заведующий кафедрой инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.
© V. I. Savich - Doctor of Agricultural Sciences, Department of Soil Science, Geology and Landscape of the Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy, [email protected]; S. L. Belopukhov - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Head of the Department of Physical and Organic Chemistry at the same university; V. V. Gukalov - Competitor of the Department of Soil Science, Geology and Landscape of the same university; I. G. Shaikhiev - PhD, Head of the Department of Environmental Engineering, Kazan National Research Technological University.
