CC BY
45
УДК 631.81.095.337
ФОЛИАРНАЯ ОБРАБОТКА ЯЧМЕНЯ СЕЛЕНИТОМ НАТРИЯ В КОНТРОЛИРУЕМЫХ УСЛОВИЯХ
А.П. Кирюшина, Л.П. Воронина
В вегетационных экспериментах изучали воздействие разных концентраций селена на формирование урожая, качество зерна, аккумуляцию азота и селена в яровом ячмене, выращенном на дерново-подзолистой почве. Установлены оптимальные дозы элемента с учетом разных уровней минерального питания (NPK) для обогащения продукции ячменя. Отмечено положительное влияние селена на урожай, качество зерна и другие особенности его действия на вегетацию растений. Изучена ключевая роль минеральных удобрений в эффективности применения фолиарной обработки ячменя.
Ключевые слова: селен, минеральные удобрения, общий и белковый азот, Hordeum vulgare L.
Введение
Из всех жизненно необходимых для организма человека и животных микроэлементов селен имеет особое значение [5]. По данным В.В.Ермакова [14], подзолистые, дерново-подзолистые и некоторые болотные почвы Нечерноземья испытывают недостаток данного элемента, что связано с его малым количеством в почвообразующей породе. Селен действует в качестве стимулятора роста и питания для растений, улучшая их рост и урожай, увеличивая содержание общего азота в зерне, а также является антистрессовым при засухе и ряде других неблагоприятных экологических факторах [10]. Положительное действие селена на продуктивность зерновых культур в условиях водного стресса, которому растения зачастую подвержены, отмечено неоднократно [2].
Зерновая продукция — один из главных источников селена. Среднесуточное его потребление человеком, по данным ВОЗ, составляет 70—100 мкг/сут [11]. В зоне Нечерноземья в зерне ячменя и пшеницы накопление селена — 90—110 мкг/кг при норме 200—600 мкг/кг [16].
В некоторых странах Европы (Финляндия, Швеция), где также наблюдается недостаток селена в окружающей среде, была осуществлена программа по внесению селената натрия в почву вместе с основными удобрениями в течение десяти лет, что ликвидировало риск заболеваний животных и человека от дефицита селена в организме [13]. Однако внесение селена в почву может осложнять его поступление в растение. Это связано с фиксированием анионов селена в почве оксидами железа, каолинитом, органическим веществом, а также с гранулометрическим составом, кислотностью среды и присутствием серы [1]. Свойство почвы аккумулировать в себе микроэлементы может привести к избыточному насыщению ее селеном при его ежегодном внесении
с удобрениями. В ряде зарубежных исследований отмечается преимущество внекорневых обработок растений селеном (фолиарная обработка) [15, 18]. В отечественной литературе данный факт подтвержден в экспериментах с яровой пшеницей, но для отдельных видов указано на преимущество предпосевной обработки над внекорневой [3,9]. Оценка действия фолиарной обработки в зависимости от агрохимических, почвенных и климатических факторов на ячмене требует дополнительных экспериментов.
Выбор формы селеносодержащего соединения в качестве удобрения имеет важное значение. Например, селенит натрия, попадая на лист растения, сразу включается в метаболизм клетки — поступает в хлоропласт и переходит в органические формы (селеноцисцеин (8еСуз) и селеноме-тионин (8еМе1), которые могут входить в состав белков [21]. Поступление селената натрия требует дополнительных затрат энергии АТФ для восстановления его до селенита. Этим усвоение селената ограничено в сравнении с селенитом. Фитотоксич-ное действие селена может возникать по причине включения большого количества селеносодержа-щих аминокислот в белки и ферменты клетки [19]. В связи с этим важно испытать несколько концентраций, обратить внимание на азотный обмен клетки, а также взаимосвязь с другими макроэлементами — калием и фосфором.
Влияние селена на накопление общего и белкового азота исследовали неоднократно. Например показано, что предпосевная обработка селенитом или селенатом натрия семян пшеницы увеличивает содержание белкового азота, сырого протеина, вынос азота с зерном [12]. Как показывают ранние исследования, воздействие основных удобрений (в основном, азота), вносимых в почву, неоднозначно сказывается на накоплении селена: на одних сортах пшеницы и ячменя увеличение дозы азотного удобрения снижает накопление се-
лена, на других — увеличивает [2]. В связи с этим требуется постановка дополнительных экспериментов для изучения связи между удобрениями макроэлементов (NPK) и удобрениями селена.
Цель наших исследований — оценка влияния фолиарной обработки растений раствором селенита натрия на формирование урожая, аккумуляцию селена и азота в зерне и соломе ячменя в условиях разного уровня минерального питания.
Объекты и методы исследования
Вегетационные эксперименты проводили в естественных условиях фотопериода, температуры и освещенности в течение двух лет в весенне-летний период в вегетационном домике (МГУ). Среднесуточная температура в июне первого года — 19,4°, второго — 16,4°, в июле — 23,6 и 21,2°, августе — 19,1и19,7° соответственно. Для экспериментов использовали дерново-подзолистую освоенную почву, агрохимическая характеристика которой за два года представлена в табл. 1 [6]. Содержание фосфора характеризовалось как высокое, калия — среднее в первый и низкое — во второй год (для зерновых культур, по градации Кирсанова) [8]. Содержание селена в почве находилось на нижней границе оптимального уровня [20].
Для эксперимента использовали семена ярового ячменя сорта Раушан (Hordeum vulgare L.). В течение периода вегетации соблюдали нормирование полива для поддержания 60%-й полевой влагоем-кости в почве. Посев осуществляли замоченными в воде на сутки семенами по 20 шт. на сосуд с последующим прореживанием до восьми растений. Повторность опыта четырехкратная.
Питательные элементы (NPK) вносили в виде водных солей: NH4NO3, KCl, Ca(H2PO4)2H2O. Объем сосудов — 2,5 л. В фазе начала кущения растения обрабатывали раствором селенита натрия с концентрациями селена 0,005, 0,01 и0,05%.
Использовали три дозы минеральных удобрений: 100, 150 и 200 мг д.в/кг почвы. Варианты опыта первого года: N100P100K100; N100P100K100 + 0,05% Se; N200P200K200; N200P200K200 + 0,05% Se. На второй год добавили более низкие концентрации селена и снизили дозу 200 мг д.в/кг почвы до 150 мг: N100P100K100; N100P100K100 + + 0,005% Se; N100P100K100 + 0,01% Se; N150P150K150; N150P150K150 + 0,005% Se; N150P150K150 + 0,01% Se.
Таблица 1
Агрохимическая характеристика дерново-подзолистой освоенной почвы
Опыт Гумус, % рНсол Сумма обменных оснований, мг•экв/100 г Р2О5, мг/кг К2О, мг/кг Se, мкг/кг
1 2,3 5,5 22,8 197 152 200
2 2,4 7,3 20,0 170 90 188
После мокрого озоления растительного материала (по Гинзбург) определяли биогенные макроэлементы: азот — методом Кьельдаля (ГОСТ 13496.4-93), фосфор — колориметрически с окраской по Дениже, калий — на пламенном фотометре. Белок определяли согласно ГОСТу 10846-91, селен — модифицированным методом флуоримет-рического анализа (МУК 4.033.11.95), основанном на мокром сжигании образца смесью азотной и хлорной кислот, восстановлении Se+6 до Se+4 и конденсации образующейся селенистой кислоты с 2,3-диаминонафталином с образованием флуоресцирующего комплекса — пиазоселенола. В работе использовали флуориметр «HitachiMPF-2A» (Япония) [4]. Статистическая обработка результатов проведена с использованием программы Sta-tictica 6.0 с модулем ANOVA.
Результаты и их обсуждение
Доза селенита натрия, выбранная для обработки ячменя, сыграла решающую роль в накоплении селена в зерне и соломе (табл. 2). Коэффициент корреляции между концентрацией селена в удобрении и содержанием его в зерне — 0,95, коэффициент достоверности аппроксимации — 0,90. В опыте 1 испытывали одну концентрацию селена — 0,05%, которая привела к значительному его накоплению в зерне. Содержание микроэлемента при такой обработке — 2674—3120 мкг/кг при максимально допустимом уровне (МДУ) 800 мкг/кг [16]. В соломе концентрация селена в 2—3 раза (в среднем) выше, чем в зерне, что свидетельствует о возможном существовании физиологического барьера поступления данного элемента из листа в зерно.
В опыте 1 четко прослеживается зависимость аккумуляции селена от дозы минерального удобрения (NPK). В вариантах без обработки селенитом натрия содержание селена в зерне и соломе снижалось при внесении N200P200K200 по сравнению с N100P100K100 со 114 до 73 мкг/кг и со 100 до 58 мкг/кг соответственно (табл.2). Это связано с эффектом биологического разбавления (увеличение биомассы), что не раз отмечали и другие исследователи [17]. Обработка 0,05%-м раствором селенита натрия значительно увеличивала аккумуляцию селена в зерне и соломе. При этом доза N200P200K200 усиливала поступление микроэлемента в зерно (увеличение на 17% по сравнению с дозой 100 мг д.в/кг почвы) и снижала его содержание в соломе на 13%. Таким образом, увеличение обеспеченности почвы основными минеральными удобрениями в два раза (от дозы 100 до 200 мг/кг по д.в.) обеспечило увеличение урожая, но не создало благоприятных условий для применения селеносодержащих удобрений.
*Достоверно при p > 0,05 от сочетания двух факторов: уровня минеральных удобрений и дозы селена.
Таблица 2
Содержание селена в надземной массе растений ярового ячменя (мкг/кг воздушно-сухой массы)
в зависимости от его дозы и NPK
Доза ОТК, мг д.в/кг почвы Доза 8е, % Опыт 1 Опыт 2
зерно солома зерно солома
100 0 114 ± 15 100 ± 13 66 ± 12 69 ± 7
0,005 328 ± 33 652 ±88
0,01 976 ± 4 1710 + 91
0,05 2674 ± 347 8461 ± 120 2916 + 401 8663 + 122
150 0 67 ±5 123+12
0,005 338 ± 8 672 ± 86
0,01 822 ± 224 1898 + 148
0,05 2419 ± 260* 7284 + 796*
200 0 73 ±9 58 ±8
0,05 3120 + 405* 7330 + 952*
В этом случае фолиарное применение селенита не только снизило качество зерна за счет увеличения концентрации в нем селена, но и негативно отразилось на урожае.
В варианте с обработкой 0,05%-м селенитом натрия и N200^200^200 масса зерна снизилась в 1,2, а соломы — в 1,4 раза по сравнению с вариантом без селена (^00?200^00) (табл. 3). Однако доля зерна в общей биомассе (коэффициент продуктивности) увеличилась в варианте ^00?200^00 + + 0,05% 8е с 49 до 56%.
В варианте ^00РшКш + 0,05% 8е содержание общего азота в зерне увеличилось в 1,4, а белкового — в 1,1 раза по сравнению с контролем (вынос азота с зерном оставался неизменным, что связано с уменьшением массы зерна). Увеличение содержания азота наряду с уменьшением массы зерна указывает на то, что зерно было мелким (об этом говорит и тот факт, что масса зерна снизилась, а численность зерен не изменилась). Это может быть связано с тем, что листья во всех четы-
рех повторностях варианта ^00РшКш + 0,05% 8е (начиная с фазы выхода в трубку) оказались пораженными карликовой ржавчиной (Puccinia Ыг-dei), поэтому прирост массы был снижен. В вариантах с N200^200^200 заболевания не наблюдалось. При такой дозе минеральных удобрений содержание как общего, так и белкового азота уменьшилось под действием селенита натрия в 1,3 раза. Вынос азота с зерном также снизился (табл. 3). Таким образом, результат по урожаю, биомассе и аккумуляции азота дает основание предположить, что выбранная концентрация селена (0,05%) токсична для растения при дозе минеральных удобрений 200 мг д.в/кг почвы. В связи с этим в следующем эксперименте (опыт 2) доза минеральных удобрений была снижена до 150 мг д.в/кг и селен добавлен в более низких концентрациях — 0,005 и 0,01%.
Как и ожидалось, снижение количества селена натрия в растворе привело к уменьшению аккумуляции данного элемента в зерне ячменя:
Таблица 3
Биомасса ярового ячменя и содержание общего и белкового азота в зависимости от дозы селена и NPK (опыт 1)
Доза ОТК, мг д.в/кг почвы Доза 8е, % Масса, г/сосуд Азот, % Доля белкового азота в общем, % Вынос азота, мг/сосуд
зерно солома общий белковый
100 0 3,04 + 1,19 2,89 + 0,27 2,62 2,38 91 94
0,05 2,45 + 1,31* 2,26 + 0,24* 3,55* 2,55* 72 87
200 0 6,17 + 1,12* 5,77 + 0,35* 2,83* 2,69* 95 152
0,05 5,25 + 1,08* 4,12 + 0,11* 2,17* 2,15* 99 121
*Достоверно приp > 0,05.
Таблица 4
Биомасса ярового ячменя и содержание общего и белкового азота в зависимости от дозы селена и №К (опыт 2)
Доза ОТК, мг д.в/кг почвы Доза 8с, % Масса, г/сосуд Азот, % Доля белкового азота в общем, % Вынос азота, мг/сосуд
зерно солома общий белковый
100 0 3,00 ± 0,51 2,37 + 0,22 2,46 2,05 83 74
0,005 2,86 ± 0,25 2,38 + 0,21 2,78* 2,67* 96 79
0,01 2,67 + 0,22 2,46 + 0,26 2,81* 2,74* 98 75
0,05 3,36 ± 0,53 2,48 + 0,42 2,86* 2,44* 85 91
150 0 3,29 + 0,26 2,60 + 0,51 2,69* 2,34* 87 88
0,005 3,70 + 0,66* 2,77 + 0,22* 2,70 2,69* 99 93
0,01 3,39 + 0,29* 2,74 + 0,32* 2,78 2,49* 90 94
0,05 3,53 + 0,39* 2,64 + 0,26 2,69 2,67* 99 88
* Достоверно прир > 0,05.
295—361 мгк/кг при 0,005% Se (оптимальный уровень для потребления зерна в пищу человеком) и 972—1046 мкг/кг при 0,01% Se (табл.2). Только в необработанных селенитом вариантах увеличение дозы NPK со 100 до 150 мг д.в/кг почвы привело к росту содержания селена в соломе (в зерне изменений не было) в 1,8 раза. Важно учитывать, что вносимые минеральные удобрения являлись физиологически кислыми и тем самым могли подкислить почвенный раствор. Вероятно, именно этот факт сыграл ключевую роль в высвобождении недоступного для растений почвенного селена, который перешел в форму биодоступного. Это объясняет увеличение содержания его в вегетативной массе. Увеличение дозы минеральных удобрений со 100 до 150 мг д.в/кг почвы в условиях обработки селенитом натрия с концентрацией селена 0,05% привело к достоверному снижению аккумуляции селена в зерне и соломе в 1,2 раза (табл.2). Таким образом, прослеживается связь между действием минеральных удобрений и высокими концентрациями селена (0,05%). Не исключено, что эффект снижения аккумуляции селена в растении от внесения дополнительных доз NPK связан с усилением метилирования его органических соединений (селенометионин и селено-цистеин) и улетучиванием [21].
Увеличение дозы минеральных удобрений со 100 до 150 мг д.в/кг почвы не привело к значительному росту массы зерна и соломы, наблюдалась лишь тенденция к ее росту (табл. 4). При данных условиях влияние селена было положительным, так как он усиливал действие дозы ^50РшК^0 на урожай ячменя. Так, в варианте NlooPlooKloo масса зерна составила 3,00 г/сосуд, а в вариантах с Nl5oPl5oKl5o при обработке раствором с минимальной концентрацией 0,005% Se она увеличилась до 3,70 г/сосуд (НСР05 0,38). Подобная за-
кономерность наблюдалась и в отношении массы соломы (табл.4). Возможность селена усиливать положительное влияние минеральных удобрений (по биомассе) за счет увеличения потребления азота из удобрений и почвы отмечалась в работах И.И. Серегиной с соавт. в экспериментах с использованием меченого азота (15№) на пшенице [9]. Вероятно, что одна из причин этого — способность селена положительно влиять на развитие и рост корневой системы за счет косвенного воздействия на митотическую активность апикальных меристем корней путем синтеза ауксинов, в результате чего увеличивается площадь поглощения элементов из почвы [7]. Кроме того, это может быть связано с ростом под действием селена фотосинтетической активности (увеличение содержания хлорофилла а и в) в листьях ячменя [10].
Содержание общего азота в зерне под действием всех трех экзогенных концентраций селена в вариантах с NlooPlooKloo увеличивалось на 13, 14 и 16% соответственно. Вынос азота с зерном при этом не менялся, что связано с тенденцией к снижению его массы. Содержание белкового азота в зерне под действием всех трех концентраций селена возрастало как в варианте с NlooPlooKloo, так и в варианте с Nl5oPl5oKl5o (табл.4). Доля белкового азота от общего при этом тоже значительно возрастала (кроме варианта NlooPlooKloo + + 0,05% Se), что свидетельствует об улучшении качества зерна.
Выводы
Таким образом, выбор концентрации экзогенного селена играет главную роль в его аккумуляции в зерне. Обработка раствором селенита с концентрацией селена 0,005% приводит к оптимальному содержанию данного элемента в зерне
ячменя. Аккумуляция селена в соломе в среднем в 2—3 раза выше, чем в зерне, что свидетельствует о существовании физиологического барьера поступления изучаемого элемента из листа в зерно.
При обработке селеном с концентрациями 0,005 и 0,01% доза минеральных удобрений не влияет на его накопление в растении, при концентрации 0,05% увеличение уровня минерального питания до 150 мг д.в/кг уменьшает аккумуляцию селена в вегетативной и репродуктивной массе ячменя. Высокая доза минеральных удобрений — 200 мг д.в/кг почвы (0,05% 8е) усиливает поступление элемента в зерно, но оказывает отрицатель-
ное действие на формирование биомассы и снижает содержание азота.
Обработка селеном в концентрациях 0,005 и 0,01% усиливает положительный эффект от внесения дополнительных минеральных удобрений (150 мг/кг почвы в сравнении со 100), достоверно увеличивая биомассу ячменя, урожай и содержание белкового азота, улучшая тем самым качество зерна.
Все концентрации селена положительно воздействуют на рост количества общего и белкового азота в зерне в условиях 100 мг д.в/кг почвы минеральных удобрений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антипов В.А., Родионова Т.Н., Беляев В.А. и др. Селен в животноводстве и ветеринарии. Казань, 2012.
2. Вихрева В.А., Блинохватов А.А., Клейменова Т.В. Селен в жизни растений. Пенза, 2012.
3. Головацкая И.Ф., Кулагина Ю.М., Крахалева А.В. Влияние селенита и селената натрия на рост и продуктивность пшеницы Иргина в зависимости от способов обработки // Вестн. Томск. гос. педагог. ун-та. 2012. № 7. Биология.
4. Голубкина Н.А. Флуорометрический метод определения селена // Журн. аналит. химии. 1995. Т. 50.
5. Голубкина Н.А., Папазян Т.Т. Селен в питании. Растения, животные, человек. М., 2006.
6. Егоров В.В., Фридланд В.М., Иванова Е.Н. Классификация и диагностика почв СССР. М., 1977.
7. КаташовД.А, Хрянин В.Н. Влияние фитогормо-нов и селената натрия на митотическую активность апикальных меристем корней проростков рапса (Brassica napus) // Изв. высш. учеб. завед. Поволжский регион. Естеств. науки. 2013. № 2(2).
8. Практикум по агрохимии / Под ред. В.Г. Мине-ева. М., 2001.
9. Серегина И.И., Ниловская Н.Т., Остапенко Н.В. Роль селена в формировании урожая зерна яровой пшеницы // Агрохимия. 2001. № 1.
10. Телевка М.С. Роль селена в формировании продуктивности яровой пшеницы в стрессовых условиях: Автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. М., 2013.
11. Третьяк Л.Н., Герасимов Е.М. Специфика влияния селена на организм человека и животных (применительно к проблеме создания селеносодержащих продуктов питания) // Вестн. ОГУ. 2007. № 12.
12. Яковлев П.А. Влияние микроэлементов на азотный обмен и устойчивость тритикале и пшеницы к
стрессовым факторам внешней среды: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2014.
13. Aro A., Alfthan G, Varo P. Effects of supplementation of fertilizers on human selenium status in Finland // Analyst. 1995. N 120.
14.Ermakov V.V. Problems of extremal geochemical ecology and biogeochemical study of the biosphere// Bio-geochem. Geochem. Ecol. 2001.
15. Gissel G. Selenium fertilizers and foliar application, Danish experiments // Annals of Clinic. Res. 1985. Vol. 18.
16. Golubkina N.A. Selenium Accumulation by Cereals in Russia // Russ. agricult. sci. 2007. Vol. 33, N 5.
17. Guptai U.C., McRae K.B., Winter K.A. Effect of applied selenium on the selenium content of barley and forages and soil selenium depletion rates // Can. J. Soil Sci. 1982. Vol.62.
18. Nawaz F, Ahmad R., Ashraf M.Y. et al. Effect of selenium foliar spray on physiological and biochemical processes and chemical constituents of wheat under drought stress // Ecotoxicol. environ. safety. 2015. N 113.
19. Pilon-Smits E.A.H., Banuelos G.S., Parker D.R. Uptake, Metabolism, and Volatilization of Selenium by Terrestrial Plants // Salinity and Drainage in San Joaquin Valley/Ed.byA.C. Chang, D. Brawer Silva. Science, Technology, and Policy, Global Issues in Water Policy. Dordrecht, 2014. Vol. 5.
20. Tan J., Zhu W, Wang W. et al. Selenium in soil and endemic diseases in China // Sci. Total. Environ. 2002. Vol. 284.
21. Terry N, Zayed A.M., Souza M.P. de, Tarun A.S. Selenium in higher plants // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 2000. Vol.51.
Поступила в редакцию 02.11.2016
FOLIAR TREATMENT OF BARLEY BY SODIUM SELENITE UNDER CONTROLLED CONDITIONS
A.P. Kiryushina, L.P. Voronina
In pot experiments studied the effects of different concentrations of selenium in the formation of a crop, the quality of the grain, the accumulation of nitrogen and selenium in spring barley at the sod-podzolic soils. The researchers found the optimal dose of selenium,
given the different levels of mineral nutrition (NPK) for the enrichment of the product selenium barley. Selenium has a positive effect on yield, grain quality and other features of its effect on plant growth. Learn key role in the effectiveness of fertilizer application barley foliar treatment.
Key words: selenium, mineral fertilizers, the total protein nitrogen, Hordeum vulgare L.
Сведения об авторах
Кирюшина Анастасия Павловна, аспирант каф. агрохимии и биохимии растений ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: [email protected]. Воронина Людмила Петровна, докт. биол. наук, вед. науч. сотр., доцент каф. агрохимии и биохимии растений ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: luydmila.voronina@ gmail.com.
