CC BY
25
АГРОНОМИЯ
УДК 631.445.4+631.81.095.337+546.23(470.40)
АККУМУЛЯЦИЯ СЕЛЕНА РАСТЕНИЯМИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОЛИЧЕСТВА МИКРОЭЛЕМЕНТА В ЧЕРНОЗЕМАХ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ
В. А. Вихрева, канд. биол. наук, доцент; Т. Б. Лебедева, канд. с.-х. наук, профессор;
А. И. Бобылев, доцент; В. А. Мачнев, доктор техн. наук, профессор
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», г. Пенза, е-таіі: [email protected]
Установлено, что аккумуляция селена в черноземах Пензенской области зависит от особенностей подтипов, их свойств (содержания гумуса и реакции среды) и характера использования. Длительное антропогенное воздействие приводит к снижению количества валового селена в пахотных почвах по сравнению с их целинными или длительно залежными аналогами. Между количеством общего селена в почве и содержанием его в растениях четко выраженная зависимость.
Ключевые слова: селен, чернозёмы, селенаты, селениты, виды растений.
В ряду экологических факторов, влияющих на состояние и здоровье человека, существенное действие оказывают микроэлементы, среди которых наименее изученным является селен. Однако за последние 20...40 лет появились сведения в России и за рубежом [1-4], свидетельствующие о необходимости селена для нормальной жизнедеятельности организма человека и животных. Показано, что прогрессирующий дефицит данного элемента в пище человека во многих странах мира и отдельных регионах Российской Федерации является одной из причин нескольких десятков тяжелых заболеваний, включая сердечно-сосудистые, онкологические, инфаркт миокарда, инсульт и диабет, тяжелые поражения печени и расстройства половой системы, иммунодефицит, болезнь Кашина-Бека и т.д. [4-7]. В исследованиях отмечается, что микроэлемент селен поддерживает нормальное состояние не только антиоксидантной, но и детоксицирующей и иммунной систем организма [8]. К настоящему времени известно, что он входит в структуру активного центра глутантионпероксидазы - одного из ключевых антиоксидантных ферментов, который предотвращает накопление в тканях свободных радикалов, инициирую-
щих перекисное окисление липидов, белков, нуклеиновых кислот и других соединений [9-10].
Коррекции дефицита селена в пище человека и рационах животных препятствует недостаточная изученность содержания и пространственного распределения его в природных компонентах территорий, в первую очередь в почвах, а также отсутствие данных о накоплении элемента в растениях конкретных почвенно-климатических зон. В условиях лесостепного Среднего Поволжья эти вопросы остаются малоизученными.
Целью настоящей работы было определить накопление селена в растениях в зависимости от концентрации микроэлемента в черноземных почвах Пензенской области.
Для решения поставленной задачи были проведены исследования по изучению аккумуляции селена в целинных (залежных) и пахотных черноземах - оподзолен-ных, выщелоченных и типичных (по Классификации., 1977г.) и растениях естественных и культурных агроценозов: степей, ФГУП «Учхоз «Рамзай» Пензенской ГСХА», ЗАО «АПК Нечаевский», СПК «Пустын-ское», ООО «Петровский хлеб», ОАО «Пензенский тепличный комбинат».
2 Агрономия
Образцы почв отбирали из верхнего слоя парных разрезов (целина - пашня) в соответствии с ГОСТ 17.44.02-84, готовили к анализу по методу Ковальского - Гололобова (11), селен (Эе) определяли атомно-адсорбционным методом. Одновременно на исследуемых участках брали растительные пробы. Объектами изучения были растения семейств РаЬаееае, Вгазз1асеае, Аэ1егасеае, РоИдопасеае, Роасеае и др. Во всех растительных образцах селен определяли флуорометрическим методом с 2,3 диаминонафталином (МУ 4.1.044-95).
Для объективной оценки зависимости количества селена в растениях от его содержания в почвах были проведены опыты с соблюдением принципа единственного различия.
Вегетационный опыт (2005-2007 гг.) поставлен в сосудах емкостью 5 кг сухой почвы [12]. Почва в опыте - чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый. Содержание в пахотном слое гумуса - 6,15.6,85% , общего селена - 180.195 мкг/кг, подвижных форм Р2О5 и К2О (по Чирикову) - 104. 164 мг и 110.139 мг/кг почвы соответственно; рНсол- 4,85.5,40, Нг - 3,01.5,26 мг-экв./100 г, Э - 32,9.36,8 мг-экв./100 г почвы, V - 91,6.87,2%. В опыте были смоделированы разные уровни содержания селена в черноземе внесением селе-ната натрия (от 0 до 1500 мкг/кг почвы) и рНкс1 (от 4,85 до 7,25) - внесением в почву 1М НС1 и СаСО3. Изучалось содержание селена в биомассе яровой пшеницы сорта Кинельская 59 в фазы кущения и колошения в зависимости от количества элемента в почве.
В полевом опыте с козлятником восточным сорта Гале (1998-2000 гг.) содержание селена в почве было смоделировано внесением селената натрия в дозах селена 25, 50, 100.500 мкг/кг. Выяснялась зависимость количества элемента в зелёной массе в период стеблевания - ветвления от содержания селена в слое почвы
0.20 см.
Экспериментальные данные обрабатывались математическими методами дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализа [13] на ПЭВМ с использованием пакетов прикладных программ для статистической обработки «^аНэИса» и «Э1а1дга1:ю8».
В процессе исследования выявлено, что количество селена в верхних горизонтах черноземных почв Пензенской области изменяется от 59 до 501 мкг/кг почвы. Содержание этого микроэлемента зависит от подтиповых особенностей, характера ис-
пользования почв, содержания в них гумуса, реакции почвенной среды и других показателей.
Почвы основных подтипов чернозема (в рамках имеющейся выборки) имели среднее содержание общих форм селена: чернозем типичный - 335±15 мкг/кг почвы, выщелоченный - 153±16 мкг/кг, оподзо-ленный - 92±8 мкг/кг. Количество селена в черноземе типичном оценивается как оптимальное, в выщелоченном - недостаточное, в оподзоленном - дефицитное (по шкале пороговых значений, предложенной
І.Тап еі аі., 2002).
Длительное сельскохозяйственное использование черноземов привело к снижению количества селена в верхних горизонтах пахотных почв одного и того же подтипа на 18.27% по сравнению с их целинными или длительно залежными аналогами (рис. 1), что связано в первую очередь с потерей гумуса и кальция из почвы в результате антропогенного воздействия.
Подтипы чернозёма
Рис. 1. Содержание селена в верхних горизонтах целинных и пахотных черноземов
Статистическая обработка полученных данных позволила выявить экспоненциальную зависимость содержания общего селена (у) в черноземах от количества гумуса (х) в верхних слоях почвы и уровня рНкс1^).
Количество селена в черноземах мало-гумусных с увеличением содержания в них гумуса на 1% (с 4,5 до 5,5% ) повышалось в среднем на 35,6 мкг/кг, а в среднегумусных - на 116,6 мкг/кг почвы (рис. 2). При сдвиге рН в интервале 4,5..5,5 количество селена в почве возрастало на 75,7 мкг, а в интервале 5,5..6,5 - на 64,2 мкг/кг почвы.
Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 3
а б
Рис. 2. Содержание селена в пахотном слое черноземов в зависимости от гумуса (а) и уровня рНка (б)
Выявлено, что содержание общего селена в почве (у) изменялось в зависимости от свойств подтипа чернозема: от количества гумуса (х) и уровня рНкс1 ф. Связь между содержанием микроэлемента и показателями гумуса и рН в пахотных почвах выражалась следующими уравнениями регрессии:
Для чернозема типичного:
у = 138,26 +55,6х, г2 = 0,584;
у = 191,80 + 88,0 z, г2 = 0,569.
Для чернозема выщелоченного:
у = 129,57 +37,66х, г2 = 0,744;
у = -43,884,48+ 28,624z, г2 = 0,599.
Для чернозема оподзоленного:
у = -77,12 + 28х, г2 = 0,549;
у = -132,058+ 57^, г2 = 0,508.
В оподзоленном черноземе при изменении количества гумуса на 1% содержание селена в почве увеличивалось на 39,5 мкг/кг, выщелоченном - на 44,6, в типичном - на 55,6 мкг/кг почвы.
Исследователи отмечают, что аккумуляция селена растениями не всегда зависит от общего количества элемента в почве [14; 15].
В опыте с козлятником повышение количества микроэлемента на 25 мкг/кг почвы приводило к увеличению селена в зеленой массе растений козлятника на 24,6%, при увеличении количества на 100.300 мкг содержание элемента в растении возрастало в 9,1..9,5 раза, а при дальнейшем повышении до 400.500 мкг/кг почвы происходило снижение содержания селена в биомассе козлятника (табл. 1). Увеличение содержания селена в почве на 100 мкг/кг приводило к повышению количества микроэлемента в зеленой массе козлятника на 161 мкг/кг сухой массы.
Таблица 1
Накопление селена растениями козлятника восточного при обогащении почвы селенатом натрия
Доза Эе, мкг/кг Содержание Эе в растениях, мкг/кг сухого вещества
180 57+3
205 71 ±4
230 199+9
286 518+10
380 521±11
480 542+13
580 489+9
680 462+8
В биомассе яровой пшеницы количество селена на 93,5.94,3% определялось его аккумуляцией в почве. Статистическая обработка экспериментальных данных и графическое отображение позволили установить, что с увеличением содержания селена в почве концентрация его в растениях пшеницы сорта Кинельская 59 повышалась (рис. 3).
Наибольшее количество селена в надземной массе накапливалось на почве с рН = 6,0, что в среднем превышало содержание его в массе растений, произрастающих на среднекислой почве (рН 4,85) в 2,1 раза, слабокислой (рН 5,50) - в 1,8 и на слабощелочной почве (рН 7,25) - в 1,6 раза.
Аккумуляция селена растениями зависит не столько от обшего количества элемента в почве, сколько от его доступности для растений. Чаще всего содержание селена в продуктах питания низкое в тех областях, где концентрация его мала или где он находится в химических формах, малодоступных для растений [16].
4 Агрономия
Z= -57,06-17,04х+19,6у+21,6х2+0,52ху-1,60у2 Z=-46,32-19,24х+16,02у+21,05х2+0,53ху-1,32/
R2 = 0,798 R2=0,733
Рис. 3. Содержание селена в растениях (г) пшеницы сорта Кинельская 59 в зависимости от микроэлемента в почве (х) и уровня рНкс (у)
Доступные формы в почвах представлены водорастворимыми селенатами, обменно-поглощенными селенитами и некоторыми органическими соединениями.
Количество селенатов составляет 12. 38% , селенитов - 22.78% , других форм -10.14% от общих запасов валового селена [14].
Судить о примерном количестве биодо-ступных форм в почве можно по коэффициенту биологического накопления (КБН), который представляет собой отношение количества селена в растениях к его общему содержанию в почве, выраженное в процентах [17].
Определение коэффициента биологического накопления показало, что наибольший КБН характерен для естественной растительности (45.60%), в сельско-
хозяйственных культурах, произрастающих на черноземах «Учхоза «Рамзай» Пензенской ГСХА», он был в пределах 25.32% в зеленой массе кукурузы, суданской травы и козлятника восточного. Зерновые культуры меньше использовали селен почвы. КБН колебался в зерне от 14,6 до 20,3% , в соломе - от 11,1 до 17,8%.
Выяснено, что сильное влияние на уровень адсорбции селена оказывают видовые особенности растений, их физиологическое состояние, а также погодные условия (табл. 2).
На выщелоченных черноземах Пензенской области наибольшее количество селена как в надземной массе, так и в корневой системе накапливали растения семейства бобовых (в среднем 128 и 54 мкг/кг сухой массы соответственно). Далее
Таблица 2
Содержание селена в растениях разных семейств в зависимости от гидротермического коэффициента (мкг/кг сухого вещества)
Семейство Содержание селена в растениях, мкг/кг сухого вещества
ГТК = 1,25 ГТК = 0,89 ГТК = 1,0
Корни Зеленая масса Корни Зеленая масса Корни Зеленая масса
Бобовые 39 116 80 144 43 123
Капустные 28 86 42 130 26 84
Астровые 20 78 37 100 17 80
Гречишные 18 71 34 82 20 70
Злаковые 33 70 62 85 38 82
НСР, мкг/кг 1,5 2,0 2,0 3,0 1,5 2,0
Нива Поволжья № 2 (1S) май 2011 б
в убывающем порядке шли растения семейств: капустных, астровых, гречишных, злаковых. Максимальное содержание микроэлемента в надземной массе растений всех семейств наблюдалось в первой половине вегетации. С увеличением биологической массы интенсивность его накопления постепенно снижалась. Количество селена в корнях всех семейств было меньшим, чем в листьях и стеблях, и практически не изменялось по фазам развития растений.
В зависимости от вида растений количественные характеристики менялись. Так, у представителей семейства бобовых содержание селена убывало в ряду астрагал нутовый ^ лядвенец рогатый ^ клевер паннонский ^ эспарцет песчаный ^ соя ^ бобы кормовые ^ люпин многолетний^-люцерна посевная ^ горох полевой; в растениях семейства капустных уменьшалось в ряду: горчица сарепская ^ рапс яровой ^ свербига восточная; в растениях семейства злаковых уменьшалось в ряду яровая пшеница ^ ячмень яровой^ ежа сборная ^ кострец береговой.
Концентраторами селена, накапливающими более 300 мкг Se на 1 кг сухой массы, являются астрагал нутовый - от 510 до 1510; клевер паннонский - от 470 до 1450; лядвенец рогатый - от 390 до 1380 мкг/кг.
Полученный экспериментальный материал свидетельствует о том, что большая часть высших растений не относится к природным селенонакопителям и необходимо обогащение растений этим микроэлементом для последующего введения селена в рацион человека и животных.
Литература
1. Ермаков, В. В. Биологическое значение селена / В. В. Ермаков, В. В. Ковальский. - М., 1974. - 300 с.
2. Перепелкина, Л. И. Корректировки стандартных комбикормов марки ПК-1 по селену с учетом его содержания в кормах Приамурья / Л. И. Перепелкина // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2009. - № 12. -С. 40-42.
3. Егоров, И. А. Селен и витамин Е в комбикормах для личных кур / И. А. Егоров, Г. В. Ивахнин // Кормление с.-х. животных и кормопроизводство. - 2009. - № 4. -С. 41-48.
4. Salman, M. Effects of different levels of organic selenium supplementation on fattening performance, carcass characteristics and blood GSH-PX activity in lambs / M. Salman,
6
G. Yi ldiz // Rev. med. Vet (France). - 2009. -160, № 5. - Р. 258-264.
5. Микроэлементозы человека / А. П. Ав-цын, А. А. Жаворонков, М. А. Риш, Л. С. Стро-чкова. - М.: Медицина, 1991. - 496 с.
6. Решетник, Л. А. Селен и здоровье человека / Л. А. Решетник, Е. О. Парфенова // Экология моря. - 2000. - Т. 54. - С. 20-25.
7. Тутельян, В. А. Селен в организме человека / В. А. Тутельян, В. А. Княжев,
H. А. Голубкина и др. // Метоболизм, анти-оксидантные свойства, роль в канцерогенезе. - М.: Изд-во РАМН, 2002. - 224 с.
8. Блинохватов, А. Ф. Селен в биосфере / А. Ф. Блинохватов, Г. В. Денисова, Д. Ю. Ильин и др. - Пенза: РИО ПГСХА, 2001. -
С. 324.
9. Племенков, В. В. Природные соединения селена и здоровье человека /
В. В. Племенков // Вестник Российского Государственного университета им. И. Канта.- 2007.- № 1.- С. 51-63.
10. Graham, R. Selenium can increase growth and fertility in vascular plants / R. D. Graham, J. C. R. Stangoulis, G. H. Lyons // Plant nutrition for food security, human health and ervironmental protection. - 2005. - P. 208209.
11. Ковальский, В. В. Методы определения микроэлементов в органах и тканях животных, растениях и почвах / В. В. Ковальский, А. Д. Гололобов. - М.: Колос, 1969. - 272 с.
12. Журбицкий, З. И. Теория и практика проведения вегетационных опытов / З. И. Жур-бицкий. - М.: Наука, 1968. - 266 с.
13. Доспехов, Б. А. Методика полевого опыта / Б. А. Доспехов. - М.: Агропромиз-дат, 1985. - 351 с.
14. Постников, А. В. Новое в использовании селена в земледелии/ А. В. Постников, Э. С. Илларионова. - М.: ВНИИ ИТЭСХ, 1991. - 43 c.
15. Торшин, С. П. Содержание селена и изменение химического состава растений ярового рапса при удобрении селенитом натрия / С. П. Торшин, И. Ю. Забродина, Т. М. Удельнова и др. // Известия ТСХА. -1994. - Вып. 1. - С. 107-112.
16. Голубкина, Н. А. Исследование роли лекарственных растений в формировании селенового статуса населения России: ав-тореф. дис. ... д-ра биол. наук / Н. А. Голубкина - М., 1999. - 48 с.
17. Капитальчук, М. В. Содержание селена в геокомпонентах на территории Молдовы / М. В. Капитальчук // XIII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. - М.: МГУ, 2006. - Т. II. -С. 40-41.
Агрономия
