CC BY
12
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2019, том 54, № 4, с. 832-841
Радиоэкология и кормопроизводство
УДК 633.2:581.1:54.027:631.4 doi: 10.15389/agrobiology.2019.4.832rus
БИОВЫНОС 137Cs ИЗ ПОЧВЫ МНОГОЛЕТНИМИ МЯТЛИКОВЫМИ ТРАВАМИ В СВЯЗИ С МИНЕРАЛЬНЫМ ПИТАНИЕМ И ДОСТУПНОСТЬЮ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ
С.М. ПАКШИНА1, В.Ф. ШАПОВАЛОВ1, С.Ф. ЧЕСАЛИН1, Е.В. СМОЛЬСКИЙ1,
В.Б. КОРЕНЕВ2
Расширение зон антропогенных нарушений агроландшафта и загрязнение почв создают серьезную экологическую угрозу. К наиболее опасным поллютантам относят радионуклиды с большим периодом полураспада, попадающие в почву при антропогенных катастрофах. В мировой литературе накоплены обширные данные о влиянии мелиорантов, органических и минеральных удобрений на урожайность и биовынос 137Cs из почвы сельскохозяйственными культурами. В настоящем исследовании нами впервые представлены данные о влиянии природных и антропогенных факторов на миграцию 137Cs в системе почва—растения на примере разных видов семейства мятликовых кормового назначения в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС в зависимости от режимов минерального питания. В условиях радиоактивного загрязнения юго-запада Брянской области в период с 2009 по 2011 годы мы исследовали биологический вынос 137Cs из почвы растениями при разной дозе полного минерального удобрения. Почва опытного участка аллювиальная луговая песчаная, агрохимическая характеристика: рНха 5,2-5,6, гумус — 3,08-3,33 %, подвижный фосфор — 620-840 мг/кг, обменный калий — 133-180 мг/кг. Плотность загрязнения почвы 137Cs 493-872 кБк/м2. Исследования проводили на одновидовых посевах многолетних мятликовых трав Dactylis glomerata L., Festuca pratensis Huds. и Phalaroides arundinacea L. Схема опыта включала следующие варианты: контроль без удобрения, N9(^60^0, ^0Р60К120; ^0Р60К150, ^20Рб0К120, ^20Рб0Кш и N120^60^80 (применяли аммиачную селитру, простой гранулированный суперфосфат, хлористый калий). Удобрения вносили ежегодно: азотные и калийные — в два приема, половина расчетной дозы под 1-й укос, вторая половина под 2-й укос, фосфорные — полной дозой под 1-й укос. Период вегетации культур в 2010 году характеризовался повышенным радиационным балансом по сравнению с другими годами. Оптимальные для роста и развития культур фитоклиматические условия от 1-го укоса до 2-го сложились в 2011 году. Период вегетации от 1-го укоса до 2-го отличался от такового до 1-го укоса повышенным радиационным балансом и, соответственно, повышенной испаряемостью. Дефицит почвенной влаги от возобновления вегетации до 1-го укоса не повлиял на водный режим посевов трав из-за близкого стояния грунтовых вод после периодического затопления поймы. Для обоснования обратно пропорциональной зависимости удельной активности 137Cs фитомассы от урожайности определили транспирационный коэффициент, относительную транспирацию, кратность снижения удельной активности 137Cs в фитомассе трав, оценили процесс биовыноса. Было показано, что интенсивность выноса 137Cs из почвы посевами трав зависит от дозы полного минерального удобрения. Наименьшей интенсивностью биовыноса 137Cs характеризуется Dactylis glo-merata L., наибольшей — Phalaroides arundinacea L. Основным фактором, регулирующим биовынос 137Cs из почвы, служит относительная транспирация, определяющая биодоступность почвенной влаги для корневой системы растений и число Пекле (Pe, соотношение диффузии и конвекции в потоке влаги). При оценке зависимости числа Ре от относительной транспирации коэффициент корреляции (r) у трех изученных видов мятликовых трав составил 0,8-0,9. Выведено уравнение биовыноса 137Cs из почвы фитомассой многолетних мятликовых трав при применении минеральных удобрений, которое отражает закономерное изменение удельной активности 137Cs фитомассы под действием вносимых удобрений и справедливо для исследуемых видов мятликовых трав.
Ключевые слова: аллювиальная луговая песчаная почва, 137Cs, многолетние мятликовые травы, биологический вынос, интенсивность выноса, транспирация, относительная транспирация, NPK удобрения.
Естественные кормовые угодья, которые служат одним из главных источников грубых и сочных кормов для животноводства, также играют многофункциональную роль в формировании устойчивого агроландшафта. Поэтому изучение механизмов повышения их продуктивности и восстановления после антропогенного нарушения вызывает большой интерес (1-5). В условиях радиоактивного загрязнения, наряду с повышением продуктивности сенокосов и пастбищ, важным становится получение кормов, соответ-
ствующих нормативу по допустимому содержанию радионуклидов (6-9).
В литературе накоплен большой объем данных о влиянии мелиорантов, органических и минеральных удобрений на урожайность и биовынос из почвы 137Cs сельскохозяйственными культурами (10-13). Экспериментально доказано, что калийные удобрения снижают удельную активность 137Cs продукции растениеводства (14-18). Внесение калийных удобрений стало основным агрохимическим приемом в условиях радиоактивного загрязнения почв. При исследовании разных доз N, P и K в составе полного минерального удобрения обнаружено, что переход 137Cs из почвы в продукцию растениеводства зависит не только от дозы калия, но и от соотношения доз калия и азота, а также количества азота в составе полного минерального удобрения (19-21).
Нами впервые в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС исследована роль природных и антропогенных факторов на процесс миграции 137Cs в системе почва—растения (на примере разных видов Poaceae кормового назначения) и предложен механизм, регулирующий биовынос 137Cs из почвы через относительную транспирацию, определяющую доступность почвенной влаги для растений.
Цель работы заключалась в изучении влияния разных доз полного минерального удобрения на доступность почвенной влаги для корневой системы и интенсивность процесса биовыноса 137Cs из почвы одновидо-выми посевами многолетних мятликовых трав.
Методика. Исследования проводили в юго-западной части Брянской области на луговом участке центральной поймы реки Ипуть. Почва опытного участка аллювиальная луговая маломощная среднегумусная, песчаная на супесчаном аллювии со следующим разделением профиля на генетические горизонты: Ад (0-4 см), Ах (4-18 см); Вх (18-40 см); Вg (40-60 см), Сg (60-90 см). Агрохимическая характеристика почвы: рНкс1 5,2-5,6, гидролитическая кислотность — 2,6-2,8 мг-экв/100 г почвы, сумма поглощенных оснований — 11,3-13,1 мг-экв/100 г почвы, емкость катионного обмена — 12,9-15,9 мг-экв/100 г почвы, насыщенность основаниями 81-82 %; содержание гумуса — 3,08-3,33 % (по Тюрину), подвижного фосфора — 620-840 мг/кг, обменного калия — 133-180 мг/кг (по Кирсанову). Плотность загрязнения опытного участка 137Cs в период проведения работ составляла 493-872 кБк/м2.
Интенсивность биовыноса 137Cs из почвы при разных дозах полного минерального удобрения изучали на одновидовых посевах многолетних мятликовых трав. По фону двухъярусной вспашки высевали ежу сборную (Dactylis glomerata L., сорт ВИК 61), овсяницу луговую (Festuca pratensis Huds., сорт Дединовска) и двукисточник тростниковидный (Phalaroides ar-undinacea L., сорт Припятский); нормы высева всех семян — 15 кг/га. Схема опыта: I вариант — контроль без удобрений, II — N90P60K90 III — N90P60K120, IV — N90P60K150, V — N120P60K120, VI — N120P60K150, VII — N120P60K180. Применяли аммиачную селитру, простой гранулированный суперфосфат, хлористый калий. Удобрения вносили ежегодно: азотные и калийные в два приема (половина расчетной дозы под 1-й укос, вторая половина — под 2-й укос), фосфорные — полной дозой в один прием под 1-й укос. Площадь посевной делянки составляла 63 м2, уборочной — 24 м2, повторность опыта 3-кратная.
Урожайность трав учитывали методом сплошной поделяночной уборки и отбора пробного снопа. В год проводили два укоса (1-й укос — с 1 по 10 июня, 2-й — с 23 августа по 1 сентября).
Величину транспирации определяли по формуле Х. Пенмана (22),
испаряемость — по М.И. Будыко (23). Транспирационный коэффициент вычисляли как Кт = EBET/Y [1], где ЕвЕт — суммарная транспирация за период вегетации, мм; Y — урожайность воздушно-сухой фитомассы трав, т/га. Относительную транспирацию рассчитывали по формуле: а = ЕвЕг/ЕвЕо [2], где ЕвЕт и £вЕо — соответственно суммарная транспирация и испаряемость за период вегетации.
Удельную активность 137Cs в исследуемых растительных образцах определяли на универсальном спектрометрическом комплексе Гамма Плюс (НПП «Доза», Россия), установленная ошибка измерений не более 10 %.
Расчет среднесуточных значений коротковолновой части радиационного баланса проводился по данным срочных наблюдений по методу трапеций (24). Для вычисления среднесуточных значений суммарного радиационного баланса использовались эмпирические коэффициенты (25, 26). Среднесуточные значения фотосинтетически активной радиации (ФАР) рассчитывали в соответствии с описанием (27).
Полученные данные подвергали дисперсионному анализу c использованием программного обеспечения Excel 7.0 и Statistic 7.0 («StatSoft, Inc.», США). Представлены средние (M). Достоверность различий с контролем и между вариантами оценивали по наименьшей существенной разности (НСР05). Различия считали статистически значимыми при выходе за границы НСР.
Результаты. В таблице 1 приведены фитоклиматические и метеорологические показатели за время проведения опытов. Сезон вегетации 2010 года по сравнению с другими годами характеризовался повышенным радиационным балансом. Оптимальные для роста и развития культур фитоклиматические условия от 1-го до 2-го укоса сложились в 2011 году. Период от 1-го укоса до 2-го отличался от такового до 1-го укоса повышенным радиационным балансом и, соответственно, большей испаряемостью.
1. Фитоклиматические условия весенне-летней вегетации посевов мятликовых трав по укосам и годам наблюдения (Брянская обл.)
Показатель 2009 2010 2011
1 1 2 1 1 2 1 1 2
Сумма среднесуточных значений радиационного
баланса в период вегетации, МДж/м2 394 569 439 688 432 485
Сумма среднесуточных значений фотосинтетически
активной радиации в течение вегетации, МДж/м2 266 460 268 426 256 336
Температура воздуха, °С 13,9 19,4 16,2 25,0 16,3 21,1
Удельная теплота парообразования, МДж/кг 2,47 2,46 2,47 2,45 2,47 2,45
Испаряемость за период вегетации, мм 160 231 178 281 175 198
Сумма осадков за период вегетации, мм 75,8 155,3 86,7 200,7 84,1 169,1
Дефицит влаги в период вегетации, мм -84 -76 -91 -80 -91 -29
Коэффициент увлажнения 0,47 0,67 0,49 0,71 0,48 0,85
Примечание. 1 — до 1-го укоса; 2 — от 1-го до 2-го укоса.
Дефицит почвенной влаги в период от возобновления вегетации до 1-го укоса не повлиял на водный режим посевов трав из-за близкого стояния грунтовых вод после периодического затопления поймы. В период от 1-го до 2-го укоса особенно большой дефицит влаги наблюдался в 2010, минимальный — в 2011 году. Снижение уровня грунтовых вод и дефицит почвенной влаги сказались на водном режиме посевов и, как оказалось, на продуктивности мятликовых трав в период до 2-го укоса.
Транспирационный коэффициент равен транспирационному расходу влаги на формирование 1 т сена мятликовых трав. Как следует из таблицы 2, до 1-го укоса при достатке почвенной влаги значения Кт определялись фитоклиматическими условиями возделывания и не зависели от
вцдовых особенностей культур. Видовые особенности проявились при недостатке почвенной влаги в 2010 году, вызванном понижением уровня грунтовых вод, повышением радиационного баланса, испаряемости и температуры воздуха в период вегетации от 1-го до 2-го укоса. В этих условиях только двукисточник тростниковидный снижал поглощение ФАР и расход воды на формирование урожая.
2. Транспирационный коэффициент Кт у многолетних мятликовых трав по годам и срокам вегетации (Брянская обл.)
Вид растения_| 2009 I 2010 | 2011
От возобн о в л е н и я вегетации до 1-го у к о с а
Ежа сборная 452 500 515
Овсяница луговая 450 500 510
Двукисточник тростниковидный 450 500 510
О т 1-го д о 2-го у к о с а
Ежа сборная 472 490 444
Овсяница луговая 472 497 439
Двукисточник тростниковидный 472 465 442
На опытном участке наблюдалась изначальная неравномерность загрязнения На делянках, занятых ежой сборной, овсяницей луговой, двукисточником тростниковидным, плотность загрязнения пахотного горизонта почвы варьировала в пределах соответственно 725-837, 615-671 и 493-631 кБк/м2. Такие значения плотности поверхностного загрязнения характеризуются как высокие (28).
3. Плотность загрязнения 137Cs (кБк/м2) в пахотном горизонте почвы под изученными культурами по вариантам опыта и годам исследования (Брянская обл.)
Вариант Ежа сборная Овсяница луговая Двукисточник тростниковидный
2009 | 2010 | 2011 2009 2010 | 2011 2009 | 2010 | 2011
Контроль 726 726 725 668 669 667 493 493 493
N<^60^0 842 839 841 650 649 651 629 631 629
^0Р60К120 790 785 785 637 634 633 541 541 539
N^60^50 812 809 809 667 668 671 524 526 522
^20Р60К120 837 840 834 670 670 667 546 542 545
^20Р60К150 800 794 803 678 679 669 498 496 496
^20Р60К180 764 766 761 615 609 622 510 502 537
Наибольшую урожайность сена мятликовых трав во всех вариантах опыта в 1-й укос получили в 2010 году при значении ФАР 268 МДж/м2 и Кт = 500. В период от 1-го до 2-го укоса наибольшую урожайность культур во всех вариантах отмечали в 2011 году при значении ФАР 336 МДж/м2 и Кт = 442. Во всех вариантах в 1-й и 2-й укосы урожайность сена возрастала при увеличении дозы минерального удобрения от 150 до 210 кг д.в. на 1 га. В таблице 5 приведена удельная активность полученной в
опыте воздушно-сухой фитомассы мятликовых трав. Как следует из данных таблиц 4 и 5, между урожайностью и удельной активностью сена проявилась обратно пропорциональная зависимость: рост урожайности культуры с повышением доз минеральных удобрений приводил к уменьшению удельной активности в фитомассе.
4. Урожайность (т/га) воздушно-сухой массы многолетних мятликовых трав по вариантам опыта и годам исследования (Брянская обл.)
Вариант Ежа сборная Овсяница лу говая Двукисточник т ростниковый
2009I 2010| 2011| среднее 2009 |2010|2011| среднее 2009 12010 | 2011 среднее
В 1-й укос
Контроль 1,12 2,43 1,75 1,77 1,17 2,34 1,9 1,80 1,23 2,48 1,86 1,86
^5Р60К45 3,96 8,94 7,8 6,90 4,25 8,91 8,51 7,22 4,37 9,32 8,78 7,49
^5Р60К«0 3,98 9,48 7,87 7,11 4,44 8,42 8,6 7,15 4,51 9,55 8,86 7,64
^5Р60К75 4,28 9,62 8,06 7,32 4,43 9,72 9,27 7,81 4,69 9,77 9,31 7,92
^0Рб0К«0 4,55 9,33 8,59 7,49 4,87 9,38 8,9 7,72 4,89 9,41 9,14 7,81
^0Р60К75 5,02 5,58 8,61 6,40 5,22 9,67 9,16 8,02 5,59 9,72 9,26 8,19
Продолжение таблицы 4
^оРбоКэд 5,06 9,82 9,31 8,06 5,47 9,96 9,33 8,25 6,12 10,23 9,45 8,60
НСР05 4,26 4,35 4,04 4,18 3,98 3,84 4,44 4,12 3,89 4,08 4,26 4,16
Во 2-й укос
Контроль 0,61 1,14 0,96 0,90 0,64 1,21 0,93 0,93 0,67 1,28 1,02 0,99
N45^5 1,97 3,09 3,7 2,92 2,04 3,15 3,67 2,95 2,10 3,20 4,05 3,12
N45^0 2,06 3,35 3,85 3,09 2,09 3,37 3,77 3,08 2,18 3,40 4,18 3,25
N45^5 2,16 3,49 3,94 3,20 2,33 3,46 3,89 3,23 2,23 3,51 4,25 3,33
N60^0 2,23 3,42 4,22 3,29 2,38 3,54 4,25 3,39 2,45 3,62 4,51 3,53
N60^5 2,59 3,57 4,37 3,51 2,54 3,61 4,59 3,58 2,54 3,69 4,75 3,66
N60^0 2,62 3,76 4,44 3,61 2,59 3,78 4,67 3,68 3,86 3,81 5,21 4,29
НСР05 1,29 0,98 1,24 1,47 1,26 1,48 1,67 1,51 1,58 1,36 1,72 1,56
5. Удельная активность 137Cs (Бк/кг) воздушно-сухой массы многолетних мят-ликовых трав по вариантам опыта и годам исследования (Брянская обл.)
Вариант Ежа сборная Овсяница луговая Двукисточник тростниковый
2009 2010 2011 | среднее 2009 | 2010 12011 среднее 2009 | 2010 2011 среднее
В 1-й укос
Контроль 2990 2866 2952 2936 2880 2796 2877 2851 2325 2296 2378 2333
^5Р60К45 1322 1318 1338 1326 1215 1208 1231 1218 1208 1186 1227 1207
^5Р60К«0 845 809 848 834 834 811 842 829 736 698 744 726
^5Р60К75 479 437 461 459 440 421 456 439 398 363 418 393
^Р60К«0 469 479 492 480 476 422 467 455 426 412 458 432
^0Р60К75 280 286 313 293 312 285 321 306 259 238 268 255
^0Р60К,0 275 268 297 280 289 256 286 277 255 231 258 248
НСР05 56 68 55 50 42 56 55 45 66 59 75 45
Во 2-й укос
Контроль 2862 2788 2966 2872 2910 2655 2793 2786 2264 2196 2308 2256
N45^,5 1308 1285 1301 1298 1290 1213 1262 1255 1309 1195 1210 1238
N45^0 802 776 798 792 754 708 743 735 717 637 698 684
N45^5 347 345 352 348 363 312 342 339 330 308 337 325
N60X^0 434 437 452 441 446 409 453 436 436 411 437 428
N60^5 376 381 368 375 352 388 361 367 359 318 385 354
N60^0 305 333 346 328 315 302 352 323 310 296 342 316
НСР05 84 76 68 63 105 98 87 95 63 57 66 69
6. Коэффициенты накопления 13708 в воздушно-сухой массе многолетних мятли-ковых трав по вариантам опыта и годам исследования (Брянская обл.)
Вариант Ежа сборная Овсяница луговая Двукисточник тростниковый
2009 | 2010 2011 2009 | 2010 2011 2009 | 2010 2011
В 1-й укос
Контроль 1,03 0,99 1,02 1,08 1,04 1,08 1,18 1,16 1,20
^5Р60К45 0,39 0,39 0,40 0,47 0,47 0,47 0,48 0,47 0,49
^5Р60К«0 0,27 0,26 0,27 0,33 0,32 0,33 0,34 0,32 0,34
^5Р60К75 0,15 0,14 0,14 0,17 0,16 0,15 0,19 0,17 0,20
^Р60К«0 0,14 0,14 0,15 0,18 0,16 0,18 0,20 0,19 0,21
^0Р60К75 0,09 0,09 0,10 0,12 0,11 0,12 0,13 0,12 0,14
^0Р60К90 0,09 0,09 0,10 0,12 0,11 0,12 0,13 0,12 0,12
Во 2-й у к о с
Контроль 0,87 0,96 1,02 1,09 0,99 1,05 1,15 1,11 1,17
N45^5 0,39 0,38 0,39 0,50 0,47 0,49 0,52 0,48 0,48
N45^0 0,26 0,25 0,25 0,30 0,28 0,29 0,33 0,30 0,32
N45^5 0,11 0,10 0,11 0,14 0,12 0,13 0,16 0,15 0,16
N60^0 0,13 0,13 0,14 0,17 0,16 0,17 0,20 0,19 0,20
N60^5 0,12 0,12 0,12 0,13 0,15 0,14 0,18 0,16 0,19
N60^0 0,10 0,11 0,11 0,13 0,12 0,14 0,18 0,17 0,19
Расчет коэффициентов накопления в воздушно-сухой массе
мятликовых трав по вариантам опыта (табл. 6) позволил установить обратно пропорциональную зависимость между этими коэффициентами и урожайностью, а также дозами минеральных удобрений. Для раскрытия механизма проявления такой зависимости мы рассчитали значения относительной транспирации (ЕвЕт/ЕвЕо) по вариантам опыта в 1-й и 2-й укосы в разные годы. Относительная транспирация используется для определения степени водообеспеченности посевов, срока поливов культур. Эта величина характеризует доступность почвенной влаги корневой системе растения. Минеральные удобрения повышают транспирацию посевов (29, 30) и,
соответственно, значение ЕвЕт/ЕвЕо. При оптимальных условиях водного режима величина относительной транспирации культур — 0,70-0,85 (31).
7. Относительная транспирация посевов многолетних мятликовых трав по вариантам опыта и годам исследования (Брянская обл.)
Вариант 2009 2010 2011 год
1 1 2 1 3 1 | 2 1 3 1 1 2 | 3
От возобновления вегетации до 1-го у к о с а
^5Р60К45 1,12 1,21 1,24 2,51 2,51 2,62 2,29 2,50 2,58
^5Р60К«0 1,12 1,26 1,27 2,66 2,36 2,68 2,31 2,50 2,61
^5Р60Ку5 1,21 1,26 1,32 2,7 2,73 2,74 2,37 2,73 2,74
^Р60К«0 1,29 1,50 1,38 2,62 2,63 2,65 2,53 2,62 2,69
^0Р60К75 1,42 1,47 1,58 1,57 2,71 2,73 2,53 2,68 2,73
^0Р60К90 1,43 1,55 1,73 2,76 2,8 2,88 2,74 2,74 2,78
О т 1-го д о 2-го укоса
N45^5 0,40 0,42 0,43 0,55 0,55 0,56 0,83 0,55 0,91
N45^0 0,42 0,43 0,45 0,59 0,59 0,6 0,86 0,59 0,93
N45^5 0,44 0,48 0,45 0,62 0,61 0,62 0,88 0,61 0,93
N60^0 0,45 0,48 0,50 0,60 0,62 0,64 0,94 0,62 1,01
N60^5 0,53 0,52 0,52 0,63 0,64 0,65 0,98 0,64 1,07
^0К90_ 0,54 0,53 0,79 0,66 0,67 0,67 1,00 0,67 1,17
Примечание. 1 — ежа сборная, 2 — овсяница луговая, 3 — двукисточник тростниковидный.
В период вегетации до 1-го укоса, величина относительной транспирации во всех вариантах превышала 1,0 (табл. 7). Эти данные указывают на то, что посевы испытывали избыток влаги, вызванный близким залеганием грунтовых вод после затопления поймы в апреле. От 1-го до 2-го укоса этот показатель превысил 1,0 только в 2011 году. В 2009 и 2010 годах при большом дефиците влаги, равном 76-80 мм, относительная транспи-рация не достигала оптимального значения ни в одном варианте посевов. Оптимальными для роста и развития культур метеорологическими и фито-климатическими условиями характеризовался 2011 год, когда посевы развивались при достатке почвенной влаги.
Результаты расчетов (см. табл. 7) показывают, что с повышением дозы полного минерального удобрения возрастает величина относительной транспирации при недостатке и избытке почвенной влаги. Электролиты, входящие в состав минеральных удобрений, вызывая сжатие двойных электрических слоев на стенках капилляров почвы, уменьшают долю адсорбированных ионов в потоке раствора к корневой системе растения (24). Увеличение дозы минерального удобрения повышает доступность почвенной влаги для корней растения, уменьшает число Ре и приводит к уменьшению удельной активности в фитомассе трав. Относительная транспирация, определяющая биодоступность почвенной влаги и число Ре при разном уровне минерального питания, — одна из основных причин проявления обратно пропорциональной зависимости между удельной активностью и урожайностью фитомассы у мятликовых трав.
Данные по удельной активности в фитомассе мятликовых
трав (см. табл. 5) отражают связь между удельной активностью в контроле и при применении разных доз минеральных удобрений. Эта связь описывается следующей формулой: А = А^ х ехр(-ХЕЬЕт) [3], где А и А^ — удельная активность в фитомассе соответственно в варианте / и в
контроле, Бк/кг; ЕЬЕт — транспирация в период вегетации, мм; X — относительная интенсивность биовыноса (постоянная величина для определенных условий; чем больше значение X, тем меньше удельная активность фитомассы в варианте / по сравнению с контролем). При увеличении дозы полного минерального удобрений выше 195 кг д.в. на 1 га разность в значениях X равна 0 или очень мала. Эти данные подтверждают экспоненциальную зависимость удельной активности фитомассы трав в варианте / от транспирации и адекватность формулы [3] реальному процессу биовыноса.
Следует отметить, что при равных условиях возделывания в каждом из шести опытных вариантов в 1-й и 2-й укосы отмечали изменения в интенсивности биовыноса культурами в зависимости от вида, о чем сообщают другие авторы (5, 32-35). В нашем эксперименте наименьшей интенсивностью биовыноса из почвы характеризуется ежа сборная, наибольшей — двукисточник тростниковидный.
8. Относительная интенсивность (X) биовыноса 137Cs из почвы фитомассой многолетних мятликовых трав по вариантам опыта и годам исследования (Брянская обл.)
Вариант 2009 год 2010 год 2011 год
1 1 2 | 3 1 1 2 | 3 1 1 2 | 3
От возобновления вегетации до 1-го у к о с а
N45P60K45 5,7 5,0 4,7 2,3 2,3 1,8 2,4 2,1 1,8
N45P60K60 8,3 7,4 6,6 3,2 3,4 3,0 3,6 3,1 3,0
N45P60K75 10,8 10,8 9,7 4,4 4,3 3,9 4,7 4,2 3,7
N60P60K60 9,7 8,5 9,0 4,5 4,4 4,1 4,5 4,2 3,8
N60P60K75 11,4 10,5 9,4 9,3 5,2 4,7 5,6 5,1 4,3
N60P60K90 11,4 10,3 10,0 5,3 5,2 4,8 5,2 5,2 4,5
О т 1-го до 2 го у к о с а
N45K45 12,8 12,0 9,8 7,7 7,7 6,8 7,5 7,1 5,4
N45K60 14,9 14,7 12,9 8,4 8,4 7,7 7,8 7,9 6,7
N45K75 20,3 18,9 21,3 11,6 11,6 12,3 11,6 11,0 10,3
N60K60 18,8 15,9 14,8 11,3 11,2 10,0 9,6 9,4 7,8
N60K75 21,6 21,1 22,0 13,5 13,8 12,2 11,3 10,7 9,0
Nfi0K40 21,8 21,9 15,3 13,3 13,9 12,3 12,2 10,6 8,7
Примечание. 1 — ежа сборная, 2 — овсяница луговая, 3 — двукисточник тростниковидный
Следовательно, формулу [3] можно использовать для сравнительной оценки биовыноса 137Cs из почвы разными видами мятликовых трав при применении минеральных удобрений.
Таким образом, анализ результатов полевых экспериментов, проведенных на одновидовых посевах мятликовых кормовых трав, позволил выявить следующие особенности процесса биовыноса 137Cs из почвы. Транс-пирационный коэффициент исследуемых видов трав при достаточной вла-гообеспеченности не зависит от дозы и вида удобрений, но при недостатке влаги зависит от радиационного баланса и вида растения. Одной из основных причин обратно пропорциональной зависимости между удельной активностью 137Cs и урожайностью фитомассы трав служит увеличение относительной транспирации при повышении дозы полного минерального удобрения и уменьшении доли адсорбированных ионов 137Cs в потоке почвенной влаги к корневой системе, вызванном сжатием двойных электрических слоев на стенках пор и уменьшением числа Ре при усилении конвекции в потоке. Нами выведено уравнение биовыноса 137Cs из почвы фитомассой многолетних мятликовых трав при применении минеральных удобрений, которое выражает закономерность изменения удельной активности 137Cs фитомассы под действием вносимых удобрений и справедливо для исследованных видов мятликовых трав. Выявлено, что интенсивность биовыноса 137Cs из почвы до 1-го укоса отличается от таковой в период от 1-го до 2-го укоса, который характеризуется значительно большим снижением биовыноса 137Cs посевами трав, обусловленным низкой относительной транс-пирацией и малой биодоступностью влаги, что сопровождается уменьшением интенсивности конвективного потока влаги к корневой системе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Losvik M.H. Phytosociology and ecology of old hay meadows in Hordaland, western Norway in relation to management. Vegetatio, 1988, 78: 157-187 (doi: 10.1007/BF00033425).
2. Wallin L., Svensson B.M. Reinforced traditional management is needed to save a declining meadow species. A demographic analysis. Folia Geobotanica, 2012, 47: 231-247 (doi: 10.1007/s12224-
012-9123-3).
3. Vogl C.R., Vogl-Lukasser B., Walkenhorst M. Local knowledge held by farmers in Eastern Tyrol (Austria) about the use of plants to maintain and improve animal health and welfare. Journal of Ethnobiology and Ethnomedicine, 2016, 12(1): 40 (doi: 10.1186/s13002-016-0104-0).
4. Zhu Y.G., Shaw G. Soil contamination with radionuclides and potential remediation. Chemo-sphere, 2000, 41(1-2): 121-128 (doi: 10.1016/S0045-6535(99)00398-7).
5. Uchida S., Tagami K. Comparison of radiocesium concentration changes in leguminous and non-leguminous herbaceous plants observed after the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident. Journal of Environmental Radioactivity, 2018, 186: 3-8 (doi: 10.1016/j.jenvrad.2017.08.016).
6. Alexakhin R., Geras'kin S. 25 years after the accident at the Chernobyl nuclear power plant: radioecologycal lessons. Radioprotection, 2011, 46: 595-600 (doi: 10.1051/radiopro/20116516s).
7. Fesenko S., Jacob P., Ulanovsky A., Chupov A., Bogdevich I., Sanzharova N., Kashparov V., Panov A., Zhuchenko Yu. Justification strategies in the long term after the Chernobyl accident. Journal of Environmental Radioactivity, 2013, 119: 39-47 (doi: 10.1016/j.jenvrad.2010.08.012).
8. Prosyannikov E.V., Silaev A.L., Koshelev I.A. Specific ecological features of 137Cs behavior in river floodplains. Russian Journal of Ecology, 2000, 31(2): 132-135 (doi: 10.1007/BF02828370).
9. Penrose B., Beresford N.A., Crout N.M.J., Lovatt J.A., Thomson R., Broadley M.R. Forage grasses with lower uptake of caesium and strontium could provide 'safer' crops for radiologically contaminated areas. PLoS ONE, 2017, 12(5): e0176040 (doi: 10.1371/journal.pone.0176040).
10. Jacob P., Ulanovsky A., Fesenko S., Bogdevitch I., Kashparov V., Lazarev N., Zhurba M., Sanzharova N., Isamov N., Panov A., Grebenshikova N., Zhuchenko Y. Rural areas affected by Chernobyl accident: Radiation exposure and remediation strategies. The Science of the Total Environment, 2009, 408(1): 14-25 (doi: 10.1016/j.scitotenv.2009.09.006).
11. Сычев В.Г., Лунёв В.И., Орлов П.М., Белоус Н.М. Чернобыль: радиационный мониторинг сельскохозяйственных угодий и агрохимические аспекты снижения последствий радиоактивного загрязнения почв (к 30-летию техногенной аварии на Чернобыльской АЭС). М., 2016.
12. Подоляк А.Г., Тимофеев С.Ф., Гребенщикова Н.В. Рекомендации по использованию загрязненных радионуклидами пойменных земель Белорусского Полесья. Гомель, 2001.
13. Hirayama T., Takeuchi M. Keitoku S. Relationship between radiocesium concentrations of soybean (Glycine max (L.) Merr.) seeds and shoots at early growth stages. Soil Science and Plant Nutrition, 2015, 61(1): 152-155 (doi: 10.1080/00380768.2014.976534).
14. Tsukada H., Hasegawa H., Hisamatsu S., Yamasaki S. Transfer of 137Cs and stable Cs from paddy soil to polished rice in Aomori, Japan. J. Environ. Radioact., 2002, 59: 351-363 (doi: 10.1016/S0265-931X(01)00083-2).
15. Сычев В.Г., Белоус Н.М., Смольский Е.В. Влияние калийных удобрений на содержание цезия-137 в зеленой массе природных кормовых угодий при поверхностном улучшении. Плодородие, 2012, 1: 2-4.
16. Коренев В.Б., Воробьева Л.А., Белоус И.Н. Урожайность кормовых и зерновых культур, и накопление 137Cs в зависимости от внесения возрастающих доз калийных удобрений. Вестник Брянской ГСХА, 2013, 5: 3-6.
17. Белоус Н.М., Смольский Е.В., Чесалин С.Ф., Шаповалов В.Ф. Роль минерального калия в снижении поступления 137Cs в кормовые травы и повышении их урожайности на радиоактивно загрязненных угодьях. Сельскохозяйственная биология, 2016, 51(4): 543-552 (doi: 10.15389/agrobiology.2016.4.543rus).
18. Kang D.J., Tazoe H., Ishii Y., Isobe K., Higo M., Yamada M. Effect of fertilizer with low levels of potassium on radiocesium-137 decontamination. J. Crop Sci. Biotechnol., 2018, 21(2): 113-119 (doi: 10.1007/s12892-018-0054-0).
19. Белоус И.Н., Кротова Е.А., Смольский Е.В. Эффективность агрохимических приемов при поверхностном улучшении естественных кормовых угодий, загрязненных 137Cs. Агрохимия, 2012, 8: 18-24.
20. Подоляк А.Г., Богдевич И.М., Агеец В.Ю., Тимофеев С.Ф. Радиологическая оценка защитных мероприятий применяемых в агропромышленном комплексе Республики Беларусь в 2000-2005 гг. Радиационная биология. Радиоэкология, 2007, 47(3): 356-370.
21. Харкевич Л.П., Белоус И.Н., Анишина Ю.А. Реабилитации радиоактивно загрязненных сенокосов и пастбищ. Брянск, 2011.
22. Пенман Х. Круговорот воды. Биосфера. М., 1972.
23. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. Л., 1956.
24. Руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. Л., 1973.
25. Абакумова Г.М., Горбаренко Е.В., Незваль Е.И., Шиловцева О.А. Климатические ресурсы солнечной энергии Московского региона. М., 2012.
26. Пивоварова З.И. Радиационная характеристика климата СССР. Л., 1977.
27. Молдау Х., Росс Ю., Тооминг Х., Ундла Н. Географическое распределение фотосинтетиче-ски активной радиации (ФАР) на территории Европейской части СССР. М., 1963: 149-158.
28. Takeyasu M., Nakano M., Fujita H., Nakada A., Watanabe H., Sumiya S., Furuta S. Results of environmental radiation monitoring at the Nuclear Fuel Cycle Engineering Laboratories, JAEA, following the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident. Journal of Nuclear Science and Technology, 2012, 49(3): 281-286 (doi: 10.1080/00223131.2012.660014).
29. Cramer M.D., Hoffmann V., Verboom G.A. Nutrient availability moderates transpiration in Ehrharta calycina. New Phytologist, 2008, 179: 1048-1057 (doi: 10.1111/j.1469-8137.2008.02510.x).
30. Matimati I., Verboom G.A., Cramer M.D. Nitrogen regulation of transpiration controls mass-flow acquisition of nutrients. J. Exp. Bot, 2014, 65(1): 159-168 (doi: 10.1093/jxb/ert367).
31. Генкель П.А. Физиология растений. М., 1975.
32. Fuhrmann M., Lasat M.M., Ebbs S.D., Kochian L.V., Cornish J. Uptake of cesium-137 and strontium-90 from contaminated soil by three plant species; application to phytoremediation. J. Environ. Qual., 2002, 31(3): 904-909.
33. Fuhrmann M., Lasat M., Ebbs S., Cornish J., Kochian L.Uptake and release of cesium-137 by five plant species as influenced by soil amendments in field experiments. J. Environ. Qual., 2003, 32(6): 2272-2279.
34. Fesenko S.V., Balonov M.I., Voigt G., Alexakhin R.M., Sanzharova N.I., Panov A.V., Bogde-vitch I.M., Howard B.J., Kashparov V.A., Zhuchenko Y.M. An extended critical review of twenty years of countermeasures used in agriculture after the Chernobyl accident. The Science of the Total Environment, 2007, 383(1-3): 1-24 (doi: 10.1016/j.scitotenv.2007.05.011).
35. Alexakhin R.M., Sanzharova N.I., Spiridonov S.I., Panov A.V., Fesenko S.V. Chernobyl radio-nuclide distribution, migration, and environmental and agricultural impacts. Health Physics, 2007, 93(5): 418-426 (doi: 10.1097/01.HP.0000285093.63814.b7).
1ФГБОУ ВО Брянский государственный Поступила в редакцию
аграрный университет, 15 июля 2018 года
243365 Россия, Брянская обл., Выгоничский р-н, п. Кокино, ул. Советская, 2а,
e-mail: pakshina_s_m@mail.ru Н, sch.vf@yandex.ru, chesalinsf@icloud.com, sev_84@mail.ru;
2Новозыбковская сельскохозяйственная опытная станция — филиал ФНЦ кормопроизводства и агроэкологии им. В.Р. Вильямса,
243020 Россия, Брянская обл., г. Новозыбков, Опытная станция, 6, e-mail: korenevvb@yandex.ru
Sel'skokhozyaistvennaya biologiya [Agricultural Biology], 2019, V. 54, № 4, pp. 832-841
137Cs REMOVAL FROM CONTAMINATED SOIL BY PERENNIAL BLUEGRASS HERBS DEPENDING ON MINERAL NUTRITION AND SOIL WATER AVAILABILITY
S.M. Pakshina1, V.F. Shapovalov1, S.F. Chesalin1, E.V. Smolskiy1, V.B. Korenev2
1Bryansk State Agrarian University, 2а, ul. Sovetskaya, p. Kokino, Vygonicheskii Region, Bryansk Province, 243365 Russia, e-mail pakshina_s_m@mail.ru (Н corresponding author), sch.vf@yandex.ru, chesalinsf@icloud.com, sev_84@mail.ru;
2Novozybkovskaya Agricultural Experimental Station — Brunch of Federal Williams Research Center for Fodder Production and Agroecology, 6, Experimental Station, Novozybkov, Bryansk Province, 243020 Russia, e-mail ko-renevvb@yandex.ru ORCID:
Pakshina S.M. orcid.org/0000-0002-4911-4653 Smolskiy E.V. orcid.org/0000-0002-7534-5893
Shapovalov V.F. orcid.org/0000-0003-2050-7768 Korenev V.B. orcid.org/0000-0003-1272-6469
Chesalin S.F. orcid.org/0000-0001-5668-2301 The authors declare no conflict of interests
Received July 15, 2018 doi: 10.15389/agrobiology.2019.4.832eng
Abstract
The expansion of zones of anthropogenically affected agricultural lands and soil pollution pose a serious environmental threat. Radionuclides with long half-lives of fallout from the anthropogenic nuclear disasters are among the most dangerous pollutants. At present, the world scientific literature has accumulated extensive data on the effect of ameliorants, organic and mineral fertilizers on the yield and biological removal of 137Cs from the soil by crops. This paper is our first report on the influence of natural and anthropogenic factors on 137Cs migration from the contaminated soil to bluegrass forage plants many years following the Chernobyl accident (South-West of the Bryansk region, 2009-2011). Our subjective was to study 137Cs removal from the soil depending on plant species and doses of full fertilizers. The soil of the site was alluvial meadow sandy, with pHKCi = 5.2-5.6, 3.08-3.33 % humus, 620-840 mg/kg mobile phosphorus, 133-180 mg/kg exchangeable potassium, and 137Cs contamination of 493-872 kBq/m2. Effects of N90P60K90, N90P60K120, N90P60K150, N120P60K120, N120P60K150, and N120P60K180 used as ammonium nitrate, granulated superphosphate, and potassium chloride on monospecies crops of perennial bluegrasses Dactylis glomerata L.,
Festuca pratensis Huds., and Phalaroides arundinacea L. were compared. Fertilizers were used annually, with N and K applied in equal amounts at the first and second mowing and P full dose applied at the first mowing and P full dose applied at the first mowing. The period of vegetation in 2010 was characterized by increased radiation balance. In 2011, bioclimatic conditions were optimal for plant growth and development. The period between the first and the second mowing differed from that before the first mowing in the increased radiation balance and evaporability. The deficiency of soil moisture during the time from beginning of plant growth to the first mowing did not affect water supply of plants because of close groundwater after periodic flooding of the plain. We determined transpiration, transpiration coefficient, a relative transpiration, the rate of decrease in 137Cs specific activity of the biomass, intensity of 137Cs removal from the soil to justify an inverse relationship of 137Cs specific activity in the biomass from a dose of full mineral fertilizer. It has been shown that the intensity of 137Cs bio-removal depends on a dose of full mineral fertilizer. The intensity of 137Cs removal is the smallest in Dactylis glomerata and the greatest in Phalaroides arundinacea. The main mechanism of biological removing 137Cs from the soil is relative transpiration which determines the availability of soil moisture for plant roots and Pe value reflecting the ratio of diffusion and convection in the moisture flow. The relationship between Pe and relative transpiration in the three studied bluegrass species is high (r = 0.8-0.9). We propose the equation of 137Cs bio-removal by perennial bluegrass with the use of mineral fertilizers, which expresses essential pattern of 137Cs activity in the biomass as influenced by the fertilizers and is fair for the studied species of bluegrass herbs.
Keywords: alluvial meadow sandy soil, 137Cs, removal rate, perennial bluegrass herbs, transpiration, relative transpiration, NPK fertilizers.
Научные собрания
12th INTERNATIONAL CONFERENCE ON FOOD CHEMISTRY AND FOOD MICROBIOLOGY
(October 17-18, 2019, Abu Dhabi, UAE)
Tracks:
■ food processing and biotechnology
■ food biochemistry and nutrition
■ livestock nutrition
■ food toxicology and microbiology
■ industrial biotechnology in food industry
■ food safety, security and control
■ microbial aspects of food quality and spoilage
■ biocatalysts and agricultural biotechnology
■ food engineering
■ nutrition and health
■ food additives
■ fermentation technology
Information: https://foodchemistry-microbiology.conferenceseries.com/
INTERNATIONAL CONFERENCE ON FUNCTIONAL FOOD & ADVANCED NEUTRACEUTICALS
(November 27-28, 2019, Madrid, Spain)
Tracks:
■ recent trends in food science & nutraceutical research
■ food biotechnology & food processing
■ food microbiology and food safety
■ food regulations, safety and quality
Information: https://functionalfood.conferenceseries.com/
15th INTERNATIONAL VETERINARY CONGRESS (March 18-19, 2020, Berlin, Germany)
Sections:
■ veterinary epidemiology
■ animal welfare
■ veterinary toxicology
■ veterinary microbiology and microbial diseases
■ veterinary vaccines
■ wildlife management
■ animal reproduction
■ animal nutrition
Information: https://veterinary.expertconferences.org/
