Динамический баланс молибдена в агроценозе Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

Естественные и точные науки ••• 1

УДК 581.55:576.8(470.67)

ДИНАМИЧЕСКИЙ БАЛАНС МОЛИБДЕНА В АГРОЦЕНОЗЕ

© 2009 Ахмедова З.Н.

Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦ РАН

Исследовано содержание микроэлемента молибдена в агроценозе на луговокаштановой почве. Приведены материалы по содержанию и запасу молибдена в биомассе растений. Определены размеры ежегодного потребления, выноса и скорости оборота элемента в агроэкосистеме.

The contain of microelement Mo in agrocoenosis of meadow-shestnut soil studied. The materials of Mo contain and stock in vegetative biomass are given. The sizes of annual consumption, taking out and element’s speed of circulation in the agrosistem are defermined.

Ключевые слова: микроэлемент, молибден, лугово-каштановая почва, агроценоз, ритм потребления, баланс.

Keywords: microelement, molybdenum, meadow-shestnut soil, agrocoenosis, rhythm of consumption, balance.

Изучение биогенного круговорота органического вещества и химических элементов является одной из важных задач современного естествознания.

Процессы обмена веществ между растениями и почвой, или биогеохимический круговорот веществ, служат основой управления

биологической продуктивностью

природных и агрокультурных биогеоценозов, сохранения здоровья населения, повышения плодородия почв и продуктивности животных, контроля качества окружающей среды. Исследованию биогеохимических

циклов микроэлементов-биофилов,

играющих важную физиологическую роль в жизни растений, животных и человека, все еще уделяется недостаточное внимание [2, 3, 4, 5, 6, 7, 9].

Изучение биологического

круговорота молибдена в фитоценозах Дагестана ранее не проводилось. Имеются лишь отдельные работы, посвященные анализу содержания молибдена в различных компонентах

ландшафтов республики [1]. Выбор элемента определяется его важной агрохимической, физиологической и экологической ролью.

Цель исследования - изучение потребления молибдена озимой пшеницей на разных этапах онтогенеза, а также определение характера и степени сбалансированности биологического круговорота элемента в системе «почва-растение».

В задачу исследования входило: изучить динамику содержания

молибдена и его запасов в блоках системы, выяснить роль отдельных органов и частей пшеницы в накоплении микроэлемента на стадиях онтогенеза, установить сезонный ритм потребления молибдена, определить основные параметры биологического круговорота элемента, рассчитать баланс

микроэлемента в системе «почва-растение».

Изучение биогенного круговорота молибдена в агроэкосистеме

проводилось на основе динамического подхода, то есть изучение процессов

обмена веществ в динамике в течение всего жизненного цикла развития растений.

Материалы и методы. Исследование проводили на лугово-каштановой почве в 2007 и 2008 гг. Начиная с апреля проводились полевые исследования, направленные на изучение динамики запасов растительного органического вещества в блоках агроценоза (по фазам развития). Одновременно выявилась

динамика почвенной влажности, гумуса и нитратного азота в почве. Учет запасов надземной фитомассы осуществляли

укосным методом в пятикратной повторяемости с площадок размером квадратный метр. Учет запасов подземной массы проводили методом отбора почвенных монолитов с площадок

размером 10х20 см на глубину 0-20 см.

Агроценоз озимой пшеницы рассматривали как агроэкосистему, основными компонентами которой является фитоценоз пшеницы и почва. Выделили блоки системы: зеленую

массу пшеницы и сорняков, ветошь (пожелтевшая часть сорных растений и пшеницы), зерно, полову, солому, корни пшеницы, подземную мортмассу (мертвые корни, солома и другие растительные остатки), почву.

Период наблюдений - апрель-июль. Пробы надземной и подземной фитомассы отбирали в следующие фазы развития пшеницы: кущение, колошение, молочная и полная спелость. Молибден в фитомассе определяли из средней смешанной пробы цинк-дитиоловым методом [12]. Полученные данные рассчитаны на воздушно-сухое вещество.

Результаты исследований. Среднее содержание гумуса, по Тюрину, в горизонте А составило 4,5%. Почва характеризуется средней

обеспеченностью подвижными формами азота, фосфора и высокой - обменного калия [8]. Из ранее проведенных нами исследований видно, что нет

положительной корреляции между гумусом и содержанием подвижного молибдена в почвах [1]. Доля так называемых подвижных соединений

молибдена (то есть доступных растениям) составляет от 1 до 5 %.

Таблица 1 Содержание подвижного Мо в лугово-каштановой почве

Гориз Глубина, Концентрация Гумус,

онт см Мо, мг/кг почвы %

А 0-10 0,08 2,17

А1 15-25 0,08 1,86

В 35-45 0,1 1,38

В1 55-65 0,14 1,2

С 77-82 0,26 0,85

С1 100-110 0,31 0,52

Изучено содержание молибдена в лугово-каштановой почве под агроценозом. В пахотном горизонте почвы в агроценозе озимой пшеницы содержится в среднем 0,08 мг/кг молибдена, с заметным увеличением его содержания в метровой толще (табл. 1).

Таблица 2 Сезонная динамика содержания подвижного Мо в лугово-каштановой почве. Агроценоз, озимая пшеница

Глубина, см _________Дата отбора_______

май июнь июль

0-10 0,08 0,1 0,12

10-20 0,08 0,12 0,13

20-30 0,07 0,11 0,09

Обнаружено сезонное варьирование содержания молибдена в лугово-

каштановой почве под агроценозом (табл. 2). Весной, в начале вегетации, когда растения потребляют основную долю элементов питания, отмечается более низкое содержание подвижного молибдена в почве. Осенью, в результате вымывания из надземных органов

осадками, выделения микроэлементов при жизни растений через корни, а также в результате разложения мортмассы

происходит некоторое его накопление в ней.

Таблица 3 Сезонная динамика содержания молибдена в структуре фитомассы озимой пшеницы, мг/кг

Структур Сроки отбора проб, фаза развития а

фитомасс

_____________пшеницы_______________

Апрель Май, Начало Конец

ы кущени е коло- шени е июня, молочн ая спелост ь июня, полная спелос ть

Листья 0,80 0,82 0,20 -

Стебли 0,52 0,64 0,37 -

Колосья - 0,50 0,92 -

Зерно - - - 2,00

Ветошь 0,50 0,67 1,10 -

Солома - - - 0,68

Полова - - - 0,99

Надземна я продукци я 1,82 2,68 3,29 3,67

Корни 0,80 0,93 0,95 0,55

Мортмасс а 0,75 1,05 1,15 0,96

Подземна я 1,55 1,98 2,10 1,51

фитомасс

а

Поступление молибдена в растение коррелирует с его содержанием в почве и зависит, главным образом, от

биологических особенностей культуры, от видовой принадлежности растений, периода онтогенетического развития [9, 10, 13]. Исследование показало, что

величина содержания молибдена в различных органах озимой пшеницы неодинакова и изменяется по фазам вегетации (табл. 3). Повышенное

содержание молибдена в листьях (0,800,90 мг/кг), по сравнению с другими зелеными частями пшеницы,

обусловлено тем, что именно в этих органах происходят химические

процессы, катализатором которых является молибден.

Изучение сезонной динамики молибдена в листьях озимой пшеницы показало, что в них в фазах кущения и колошения содержится почти одинаковое количество микроэлемента; обнаружено лишь некоторое увеличение его в фазе молочной спелости. Я. М. Приев и М. А. Риш [13] отмечают также одинаковое количество микроэлемента в листьях яровой пшеницы в фазах кущения и цветения. В период интенсивного формирования

генеративных органов происходит отток

к ним молибдена, что ведет к увеличению его содержания в колосе и уменьшению в стеблях. Из надземных органов наибольшая концентрация молибдена обнаружена в зерне (в среднем за два года - 2,00 мг/кг). Причем по годам она изменяется незначительно (1,8-2,2 мг/кг).

При трансформации растительного вещества от живых зеленых частей к ветоши наблюдалось понижение содержания молибдена. Максимум содержание микроэлемента в ветоши наблюдается в фазе молочной спелости. К этому времени в ветошь переходят почти все листья, часть стеблей. Отмечено, что сорняки больше поглощают молибден из почвы в начале вегетационного сезона, когда велика доля сорняков в биомассе растительного органического вещества, а к концу сезона, в период интенсивного прироста пшеницы, его величина снижается. Следовательно, в процессе роста и развития (особенно в начальные фазы) озимая пшеница недополучает определенное количество молибдена, поскольку оно потребляется сорняками.

Содержание молибдена в корнях было минимальным в фазу кущения (0,70-0,80 мг/кг), во время интенсивного прироста надземных и подземных органов. От фазы кущения до фазы созревания концентрация элемента в корнях увеличивалась, а в конце вегетации идет отток элемента из подземных органов в созревающее зерно.

Важной характеристикой при изучении метаболических процессов сельскохозяйственных растений

является сезонный ритм потребления элементов, который складывается из количества поглощенных элементов единицей фитомассы в каждую фазу развития. По этой величине определяют те периоды развития растения, в которые оно в наибольшей степени нуждается в элементах питания. В наших

исследованиях сезонный ритм потребления молибдена больший в

период выхода в трубку - 1,5 мг/кг фитомассы. В фазах кущения и

молочной спелости он почти одинаков -0,9-1,0 мг/кг.

Таблица 4 Сезонная динамика запасов молибдена в структуре фитомассы озимой пшеницы, мг/м2

Структур Сроки отбора проб, фаза развития а пшеницы

фитомасс ы Апрель кущени е Май, коло- шени е Начало июня, молочн ая спелост ь Конец июня, полная спелос ть

Листья 0,094 0,245 0,062 -

Стебли 0,045 0,251 0,109 -

Колосья - 0,050 0,403 -

Зерно - - - 0,525

Ветошь 0,014 0,085 0,178 -

Солома - - - 0,167

Полова - - - 0,094

Надземна а 0,153 0,581 0,752 0,786

продукци

п Корни 0,045 0,063 0,105 0,070

Мортмасс а Подземна 0,116 0,191 0,348 0,223

0,161 0,254 0,453 0,293

фитомасс

а

Рис. 1. Фазы развития пшеницы

Знание динамики накопления запасов элемента питания дает возможность определить величины потребления и освобождения элемента агроценозом. Молибден потребляется из почвы и накапливается в растениях, образуя запас. Общий запас молибдена в агроценозе как в течение сезона, так и в разные годы значительно варьирует (табл. 4, 5).

я

Изучение сезонной динамики запасов молибдена показало, что в течение периода вегетации происходит их перераспределение в структуре фитомассы агроценоза пшеницы, обусловленное изменением как фитомассы в блоках системы, так и содержанием в них элемента. На фоне общего изменения запасов молибдена различные фракции надземного растительного вещества ведут себя по-разному (рис. 1, табл. 4).

Характерной особенностью сезонной динамики запасов молибдена в надземной массе является увеличение запасов его к фазе полной спелости. Например, сумма запасов молибдена в надземной фитомассе увеличилась с

0,153 мг/м2 в фазу кущения до 0,786 мг/м2 в период полной спелости. Накопление запасов молибдена в различных фракциях озимой пшеницы связано с динамикой накопления органического растительного вещества. В составе надземной зеленой фракции, в начальных фазах развития пшеницы, молибден накапливается

преимущественно в стеблях и листьях, а в последующих фазах - в репродуктивных органах.

Запасы микроэлемента в зеленых листьях в оба года нарастают к фазе колошения, затем резко уменьшаются в фазе молочной спелости, что полностью повторяет динамику запасов

органического вещества (хотя концентрация микроэлемента в листьях высокая, но из-за быстрого перехода в ветошь листья образуют в фазе молочной спелости незначительную биомассу).

Таблица 5

Динамика содержания и накопления запаса молибдена в структуре фитомассы агроценоза озимой пшеницы

Структура Содержани Запасы, мг/м2 Запасы в В % от фитомасс е мг/кг фазу суммы

ы Среднее Средни В % от полной

за 2 года е за 2 сумм спелости, года ы мг/м2

Надземная фитомасса

Листья 0,83 0,170 14,4 - -

Стебли 0,51 0,135 11,4 - -

Зерно 2,00 0,525 44,5 0,525 66,8

Солома 0,68 0,167 14,1 0,167 21,2

Ветошь 0,76 0,090 7,6 - -

Полова 0,99 0,094 8,0 0,094 12,0

Сумма - 1,18 100,0 0,786 100,0

Подземная фитомасса

Корни 0,76 0,07 24,1 0,067 23,1

Мортмасс 0,98 0,22 75,9 0,223 76,9

а Сумма 1,74 0,29 100,0 0,290 100,0

Надземная 1,47 100,0 1,076 100,0

+подземная

Надземна 1,18 80,3 0,786 73,0

я Подземна 0,29 19,7 0,29 27,0

я

В фазу полной спелости наибольшая доля запасов молибдена в надземной массе приходится на зерно - 66,8% (табл. 5), остальная часть - на солому и полову. Это указывает на то, что зерно является основным накопителем элемента в составе различных органов пшеницы. Доля молибдена в сорняках составляет 1,0-1,50% запасов его в агроценозе.

Часть запаса расходуется летом за счет двух потоков: в почву и мортмассу. В почву элемент переходит при выщелачивании его осадками из надземной фитомассы и с корневыми выделениями растений. В мортмассу он поступает в течение летнего сезона с отмершими и целыми растениями пшеницы и сорняков. Разница между интенсивностями потребления и летнего расхода (в мортмассу и почву) представляет собой величину запаса элемента в фитомассе при полной спелости пшеницы до уборки. В момент уборки часть запаса отчуждается с урожаем, часть с пожнивными и корневыми остатками поступает в мортмассу. Мортмасса минерализуется и элемент поступает в почву.

Следует отметить, что запасы молибдена в мертвых растительных остатках и в корнях незначительны. В подземной фитомассе (корнях) в слое 0 -

20 см в среднем за два года накоплено

0,29 мг/м2 молибдена, что составляет 18% от общего запаса в пшенице. Из

общей суммы запаса молибдена в корнях более 70% сосредоточено в корневой массе, расположенной в пахотном слое почвы. От фазы кущения до фазы молочной спелости накопление элемента в корнях увеличивается от 0,045 до 0,105 г/м2 (в этот же период происходит интенсивный прирост корней). В фазу полной спелости запасы элемента в корнях несколько снижаются в результате начинающегося их отмирания и уменьшения содержания

микроэлемента в них.

Максимум запасов микроэлемента во всей фитомассе приходится на фазу созревания зерна. В этот период наблюдается и максимальный прирост фитомассы озимой пшеницы за счет формирования репродуктивных органов.

Запас молибдена (в среднем за два года) в агроценозе за весь вегетационный сезон составил 1,47 мг/м2; из них - 80,3% (1,18 мг/м2) - в надземной части и 19,7% (0,29 мг/м2) - в подземной (табл. 5). Запас элемента в фазу полной спелости (1,076) меньше, чем запас его за весь вегетационный сезон (1,47 мг/м2).

Из сформированных к концу сезона запасов элемента 66,8% отчуждается с зерном и побочной продукцией и теряется для агроценоза, остальная часть в виде мортмассы остается в почве, частично компенсируя потребленное количество элемента. Общее поступление молибдена в слой почвы 0 - 20 см составляет 0,299 мг/м2 (поступает в момент уборки с пожнивными и корневыми остатками) и 1,5% (0,09 мг/м2) - в течение лета с отмершими органами и целыми растениями пшеницы и сорняков.

Оценка потребления элементов питания растений по их запасу в фитомассе в фазу полной спелости дает заниженные результаты емкости биологического круговорота [14, 15]. Часть потребленного растениями количества микроэлементов еще до полной спелости пшеницы отчуждается с отмершими органами и целыми растениями основной культуры и сорняков, а также с корневыми выделениями. В связи с этим полное поглощение элемента питания за сезон

выше, чем запасы его в фитомассе агроценоза в момент полной спелости пшеницы. Для молибдена это

превышение составляет 13,7%.

Полное потребление молибдена

растением за период вегетации

рассчитывали по сумме приращений запасов на основе динамики запасов микроэлемента в структуре фитомассы пшеницы (табл. 6). Расходная часть

баланса охватывает ту фитомассу, которая отчуждается в процессе уборки урожая (зерно, полова, солома). Возврат молибдена в почву в агроценозе озимой пшеницы составляет 23,3%. Молибден, содержащийся в стерне, опаде и сорняках, может быть использован лишь урожаем следующего года.

Таблица 6 Основные показатели биологического круговорота молибдена в агроценозе озимой пшеницы

Показатели круговорота

Запас в фазу полной спелости, мг/м2

В фитомассе пшеницы: надземная, в т.ч. зерно

корни в слое 0-20 см В подземной мортмассе в слое 0-20 см

Всего в агроценозе Потреблено, мг/м2 период надземной биомассой пшеницы корнями

Вынос с урожаем, мг/м2 период Поступило в почву, мг/м2 период с корневыми остатками при разложении подземной мортмассы

Отчуждение/ потребление Время оборота запаса элемента, год

Баланс элемента складывается из процессов потребления его растениями из почвы, освобождения от растительных остатков при их минерализации, поступление с семенами и удобрениями, атмосферными осадками,

Содержание молибдена (в среднем за 2 года)

0,853

0,786

0,525

0,067

0,223

1,076

1,245

1,140

0,105

0,786

0,290

0,070

0,22

0,63

0,86

в агроценозе

выноса с урожаем и поверхностным стоком.

Приводим сокращенный баланс молибдена в агроценозе (табл. 6).

Данные таблицы показывают, что за вегетационный период, в среднем за два года, потреблено из почвы 1,245 мг/м2 молибдена. Из них надземной биомассой пшеницы - 1,14, а корнями - 0,105 мг/м2. Отчуждается с урожаем - 0,786 мг/м2. Остается в почве - 0,29 мг/м2 молибдена. Поступление элемента с семенами составляет 0,043 мг/м2. В осадках обнаружено незначительное количество микроэлемента, которое в расчет не брали.

Таким образом, ориентировочный

баланс молибдена, рассчитанный нами для агроценоза озимой пшеницы

отрицательный, так как количество микроэлемента, отчуждаемое с урожаем, не восполняется внесением его с семенами и удобрениями. Сравнивая запасы подвижных форм микроэлементов в почве 1,25 кг/га и ежегодный вынос с урожаем озимой пшеницы 7,86 мг/м2, можно сделать вывод о сравнительно высоких потенциальных запасах молибдена в почве. Для создания сбалансированного круговорота необходимо восполнять отчуждаемые с урожаем микроэлементы.

С учетом полного потребления микроэлемента надземной и подземной продукцией агроценоза нами были рассчитаны коэффициенты потребления молибдена на единицу зерна. Для формирования одного кг зерна при урожае

21 ц /га за вегетацию потребовалось 5,93 мг молибдена. Полученный коэффициент потребления молибдена может быть использованы при расчете необходимого количества микроэлементов для получения планируемого урожая.

Весьма важным показателем биологического круговорота является время оборота химических элементов, за которое в агроэкосистему поступает количество элемента, равное его среднему запасу. Этот показатель определяется как отношение запаса химического элемента в фитомассе агроценоза к его полному потреблению за вегетационный сезон (год). Время

оборота запаса молибдена, по нашим данным, равно 0,86.

Относительно быстрое обновление запаса Мо в системе агроценоза объясняется, по-видимому, невысокой степенью его связи с растительными, органическими остатками при

разложении которых Мо

высвобождается и вновь вовлекается в круговорот.

Проведенное нами исследование позволило прийти к следующим выводам:

1. Лугово-каштановая почва под агроценозом средне обеспечена (0,16 мг/кг) подвижным молибденом.

2. Наиболее высокий темп потребления микроэлемента наблюдается в период интенсивного роста и развития растений.

Примечания

1. Ахмедова З.Н. Микроэлементы в почвах Терско-Сулакской низменности Дагестана. Махачкала, 1981. С. 144. 2. Базилевич Н.И., Семенюк Н.В. Динамический баланс химических элементов в луговой степи // Почвоведение. 1986. №7. С. 57-69. 3. Базилевич Н.И., Титлянова А.А., Смирнов В.В. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М. : Мысль, 1978. 148 с. 4. Богатырев Л.Г. Задачи изучения биологического круговорота в природных экосистемах // Вестник МГУ. Сер. 17. Почвоведение. 1991. №1. С. 40-46. 5. Второва В.Н., Солнцева О.Н. Круговорот химических элементов в экосистемах суходольного луга и леса // Почвоведение. 2001. №11. С. 1383-1391. 6. Второва В.Н. Круговорот веществ в некоторых типах северотаежных еловых лесов при техногенном воздействии // Почвоведение. 1986. №4. С. 90-101. 7. Гладышев М.И. Концепция биогеоценоза с позиции общей теории систем // Экология. 1990. №4. С. 11-19. 8. Джанбулатов М.М., Алиев А.А., Магомедалиев З.Г. Зависимость концентрации в сыворотке крови коров макроэлементов от содержания их в почве и пастбищной растительности // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. М., 2008. №6. С. 74-76. 9. Диаз-Марото И.Дж., Фернандес-Парайес Дж., Вила-Ламейро П. Химические свойства и содержание питательных веществ в почвах дубрав Галисии (Испания) // Почвоведение. 2007. №5. С. 574-584. 10. Заболоцкая Т.Г. Биологический круговорот элементов в агроценозах и их продуктивность. Л. : Наука, 1985. 175 с. 11. Методические указания. ЦИНАО по определению микроэлементов в почвах. М., 1977. С. 30-33. 12. Орлов Д.С. Микроэлементы в почвах и живых организмах // Соросовский образовательный журнал. №1. 1998. С. 61-68. 13. Риш М.А.. Биогеохимические провинции Западного Узбекистана. Автореф. дис... докт. биол. наук. Самарканд, 1963. 14. Титлянова А.А. Продукционный процесс в агроценозах пшеницы // Биогеоценоз пшеничного поля. М. : Наука, 1986. С. 3-4. 15. Титлянова А.А. О режимах биологического круговорота в надземных биогеоценозах // Почвоведение. 1989. №6. С. 71-81.

3. Запас молибдена (в среднем за два года) за весь вегетационный сезон составил 1,47 мг/м2; из них 88,1% (1,17мг/м2) - в надземной части и 21,9% (0,29мг/м2) - в подземной.

4. Из сформированных к концу сезона запасов элемента 72% отчуждается с зерном и побочной продукцией и теряется для агроценоза.

5. Ориентировочный баланс молибдена, рассчитанный нами для агроценоза озимой пшеницы, отрицательный, так как количество микроэлемента, отчуждаемое с урожаем, не восполняется внесением его с семенами и удобрениями.

Статья поступила в редакцию 02.02.2009 г.