CC BY
48
Вестник ДВО РАН. 2017. № 2
УДК 631.45:631.81 (571.6) М Л. БУРДУКОВСКИЙ
Марганец в агрофитоценозах юга Дальнего Востока
Исследовано содержание марганца в лугово-бурых и лугово-черноземовидных пахотных почвах, в органах растений сои и пшеницы, а также рассчитан баланс элемента в агрофитоценозах. Исследования проходили в условиях длительного внесения минеральных и органических удобрений на агрохимических стационарах Приморского края и Амурской области, заложенных соответственно в 1941 и 1962 гг.
Ключевые слова: марганец, пшеница, соя, баланс микроэлементов, длительное применение удобрений
Manganese in the agrophytocenoses in the south of Far East Region. ML. BURDUKOVSKII (Federal Scientific Center of fhe East Asia Terrestrial Biodiversity, FEB RAS, Vladivostok).
The content of manganese in the meadow-brown soils and meadow-chernozem-like agrogenic soils, in plant parts of wheat and soybean, and the balance of element in the agrophytocenoses has also been calculated. The research was carried under conditions of the long application of mineral and organic fertilizers on the agrochemical stations established in Primorsky Krai and Amur Region in 1941 and 1962 respectively.
Key words: manganese, wheat, soybean, balance of microelements, cumulative fertilization.
Изучение круговорота элементов питания является важной задачей в области агрохимии, почвоведения и ряде смежных наук. Процесс обмена веществ в системе почва-растение, или биологический круговорот, служит основой управления продуктивностью естественных, и особенно агрокультурных биогеоценозов, повышения плодородия почвы, контроля качества окружающей среды.
В настоящее время использование минеральных удобрений и других средств химизации является единственным путем увеличения объемов производства продуктов питания. Однако в мировой литературе накопилось большое количество фактов, свидетельствующих не только о положительном, но и о негативном влиянии интенсивной химизации земледелия на изменение агрохимических и экологических свойств почв [11, 28]. Например, известно, что с минеральными удобрениями в почву попадает большое количество примесных элементов, среди которых часто встречаются тяжелые металлы [16, 23], в том числе и марганец - один из наиболее важных микроэлементов, который при избыточной своей концентрации в почве оказывает токсичное действие на выращиваемые растения и как тяжелый металл относится к третьему классу опасности.
Почвы юга Дальнего Востока характеризуются повышенным содержанием валовых и подвижных форм марганца [22]. По данным В.И. Голова [6, 8], на Дальнем Востоке базальтовые почвообразующие породы содержат 670 мг/кг марганца (в расчете на элемент), элювий гранита - 410 мг/кг. Кларковое значение элемента для почв региона почти в 2 раза выше, чем для почв Русской равнины (1540 и 900 мг/кг соответственно).
БУРДУКОВСКИЙ Максим Леонидович - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник (Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН, Владивосток). E-mail: burmaxs@inbox.ru
Для растений марганец является жизненно необходимым элементом. Поступая в почву в форме катионов и анионов (манганатов), он играет важную физиологическую роль, входя в состав многих ферментов, участвует в образовании аскорбиновой кислоты, в реакциях фотосинтеза [27], оказывает влияние на поглощение и включение в обмен веществ многих элементов минерального питания. При дефиците марганца в растениях возрастает содержание основных элементов питания и нарушается их соотношение [14].
Значительную роль марганец играет в обмене веществ животных организмов: он участвует в окислительно-восстановительных процессах, необходим для активации ряда ферментов, ускоряет образование антител, нейтрализующих вредное действие чужеродных белков [7]. В организме взрослого человека содержится около 12 мг марганца (43 % в скелете, остальной - в мягких тканях). Суточная норма потребления для человека составляет 2-5 мг/сут [10].
Биогеохимический круговорот марганца, как и метаболизм его в растениях, во многом сходен с круговоротом и метаболизмом железа [2]. Динамика элемента в пределах исследуемого региона в значительной мере зависит от характера почвообразующих пород, гранулометрического состава, степени увлажнения и длительности пребывания почв в переувлажненном состоянии и вместе с тем - от своеобразия окислительно-восстановительных условий. Для почв дальневосточных провинций характерны резкие колебания величины окислительно-восстановительного потенциала, что приводит к интенсивному образованию ортштейнов, которые, в свою очередь, способствуют связыванию марганца в почвах и препятствуют выводу его из малого биологического круговорота (из системы почва-растение) [6]. Ортштейнами называют плотные минеральные стяжения, участки сливания конкреций в сплошной слой рудяка [18]. Начало изучению условий формирования марганцево-железистых конкреций, в которых концентрируется до 25 % марганца, для почв юга Дальнего Востока было положено В.И. Росликовой [19, 20]. В последние годы материалы по накоплению микроэлементов и тяжелых металлов почвенными ортштейна-ми представлены в работах Я.О. Тимофеевой [24, 29].
До наших исследований работ, посвященных динамике марганца в пахотных почвах юга Дальнего Востока, практически не проводилось. Важная биологическая роль марганца послужила основанием для изучения содержания элемента в почве и концентрации его в урожае основных сельскохозяйственных культур региона в зависимости от норм внесения удобрений, применяемых в соответствующих экологических условиях.
Цель исследования - изучить биологический круговорот марганца в основных агро-фитоценозах юга Дальнего Востока в опытах с длительным использованием минеральных и органических удобрений и извести.
Объекты и методы исследований
Результаты работы получены в период 2010-2014 гг. Опытный материал отобран на экспериментальных участках в посевах сои и пшеницы стационаров ФГБНУ Приморского научно-исследовательского института сельского хозяйства (ПримНИИСХ) на лугово-бурых почвах (Endosalic Geysols Calcaric) и ФГБНУ Всероссийского научно-исследовательского института сои (ВНИИ сои) на лугово-черноземовидных почвах (Voronic Chernozems Pachic). В Приморском крае опыт заложен в 1941 г. За 8 полных ротаций 9-польного севооборота было внесено: навоза 320 т/га, извести 41,6 т/га и минеральных удобрений: N - 2400 кг/га, Р - 2320, К - 1200 кг/га (из расчета на действующее начало -д. н.). Среднее содержание гумуса в пахотном слое - 3,95 %, подвижного фосфора -21 мг/кг, калия - 154 мг/кг, общего азота - 0,15 %, рНсол - 4,3. В Амурской области опыт заложен в 1962 г. За 50 лет (10 ротаций 5-польного севооборота) в соответствующих вариантах было внесено 240 т/га навоза и минеральных удобрений (по д. н.): N - 1150,
Р - 1650 кг/га [12]. Среднее содержание гумуса в пахотном слое - 4,01 %, подвижного фосфора - 34 мг/кг, калия - 195 мг/кг, общего азота - 0,20 %, рНсол - 5,1.
Схема опытов включала следующие варианты: 1) контроль: без внесения удобрений; 2) NPK - на лугово-бурых почвах и № - на лугово-черноземовидных; 3) №К + навоз + известь на лугово-бурых почвах и № + навоз на лугово-черноземовидных.
На стационаре ВНИИ сои калийные удобрения и известь не использовались, поскольку многолетняя практика показала, что на лугово-черноземовидных почвах они неэффективны [15].
Опыты закладывались в трехкратной повторности, с каждой из которых отбирался смешанный образец почвы на глубину пахотного горизонта. Площадь делянки 150 м2.
Для фракционного учета урожая перед уборкой отбирались пробные снопы (по 2 с каждой делянки, с площади 1 м2). Для расчета баланса элементов урожай культур делили на органы: зерно, солома, корни, листья (у сои), полова (у пшеницы). Листья сои собирали в предварительно установленные опадоуловители.
Валовые формы марганца в почве определяли рентгенофлуоресцентным методом с использованием спектрометра EDX-800HS (Shimadzu), подвижные формы и содержание в растениях - методом атомной абсорбции на спектрометре Квант 2А (Аквилон) с предварительной их экстракцией в кислотной вытяжке (1 н. HNO3). Коэффициент биологического поглощения (КБП) рассчитывали по формуле, предложенной В.Б. Ильиным [10]. Статистическую обработку данных осуществляли стандартными методами дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову [9].
Результаты и обсуждение
Согласно результатам наших исследований, в вариантах с использованием удобрений среднее содержание валовых (см. рисунок) и подвижных форм марганца (табл. 1) в пахотном слое почв выше, чем на контроле.
При сравнении содержания валовых форм марганца в исследованных нами почвах с российскими кларковыми значениями установлено, что в лугово-бурых почвах
Среднее содержание (2010-2014 гг.) валовых форм марганца в пахотном слое лугово-бурых и лугово-черноземовидных почв, мг/кг
Таблица 1
Содержание подвижных форм марганца в пахотном слое лугово-бурых и лугово-черноземовидных почв (в среднем за 2010-2014 гг.), мг/кг
Культура Лугово-бурая почва Лугово-черноземовидная почва
Контроль №К ОТК + навоз + известь Контроль ОТ ОТ + навоз
Соя Пшеница 176,1 ± 13,7 203,5 ± 16,3 223,4 ± 13,9 191,1 ± 12,8 199,8 ± 14,4 210,9 ± 12,3 136,9 ± 13,1 169,9 ± 13,9 152,9 ± 13,2 202,7 ± 14,4 223,9 ± 11,7 242,9 ± 12,3
Примечание. ± - стандартное отклонение.
содержание элемента превышает величину кларка на 28,2-67,1 %, в лугово-черноземо-видных - на 4-42 %. При этом концентрация элемента не выходит за границы предельно допустимого уровня в 1500 мг/кг [5]. В отношении основных микроэлементов для почв Приморья и Приамурья В.И. Головым разработаны специальные уровни кларковых концентраций с учетом региональной специфики почвенного покрова, что существенно отличает их от общероссийских и позволяет провести сравнение состава исследуемых почв более объективно [7]. При сравнении величины валовой формы марганца с региональными кларками обнаружено, что содержание элемента ниже этих значений в среднем на 16-30 % в Приморье и на 22-70 % в Амурской области.
Ранее для рассматриваемых территорий отмечалась небольшая амплитуда колебания валового марганца в агрогенных почвах. В контрольных вариантах, как правило, содержание элемента несколько ниже по сравнению с остальными вариантами. Это объясняется дополнительным привносом марганца с удобрениями, особенно фосфорными, калийными и органическими. Разброс в содержании валовых форм марганца между разными почвами бывает весьма значительным, что зависит от химического состава коренных пород (в базальтах его больше, чем в гранитах), а также гидроклиматических условий их формирования (глины более богаты марганцем, чем пески). Результаты наших исследований подтверждаются данными других ученых, работающих на аналогичных почвах этой территории [17].
Подвижные формы марганца обладают большой вариабельностью. В годы исследований на контрольных участках лугово-черноземовидной почвы содержание кислотора-створимых форм колебалось от 99,6 до 288,1 мг/кг; на участках с минеральными удобрениями - от 103,1 до 299,3 мг/кг и при использовании органоминеральных удобрений -от 107,0 до 310,1 мг/кг.
Повышенное содержание валового марганца в почвах в первую очередь зависит от состава почвообразующих пород и характера рельефа территории, подвижность марганца в почвах - от складывающихся окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий. При окислительных условиях преобладают труднорастворимые соединения четырехвалентного марганца, при восстановительных - легкорастворимые подвижные соединения [13]. В вариантах с использованием удобрений марганца больше, чем на контроле. Увеличение его содержания могло происходить как за счет внесения с минеральными удобрениями и навозом, так и за счет активации почвенных микроорганизмов и перехода труднорастворимых форм в легкорастворимые [21].
Изучение биологического круговорота элементов питания в агрофитоценозах начинается с количественной оценки их поступления из почвы в растения. Надежным показателем величины поглощения служит коэффициент биологического поглощения (КБП), по величине которого судят о потенциальной биохимической подвижности элементов. КБП рассчитывался как частное от деления содержания элемента в золе растений на его содержание в корнеобитаемом слое почвы.
В среднем для сои КБП варьировал в пределах 0,51-0,59, для пшеницы - 0,30-0,87, что позволяет отнести марганец к группе элементов с низкой интенсивностью поглощения (< 1,0). Избирательность к поглощению элементов питания у исследуемых сельскохозяйственных культур, несмотря на большое резервное количество марганца в почве,
препятствует избыточному накоплению элемента в хозяйственной части продукции. КБП марганца для обеих культур на разных типах почв отличаются незначительно, что говорит о довольно близкой биодоступности элемента. Длительное использование удобрений существенно не повлияло на величину КБП марганца в исследуемых культурах на обоих типах почв.
В сое марганец наиболее интенсивно накапливается в листьях, далее по мере убывания следуют корни и зерно. Меньше всего этого элемента содержится в соломе (табл. 2). Большое количество марганца в корнях и листьях по сравнению с зерном и соломой можно объяснить рядом причин. Содержание элемента в листьях сои является наиболее высоким во время цветения растений и в конце вегетации. В зрелых листьях марганец обнаруживается в больших количествах, так как он слабо реутилизируется в растениях и способен накапливаться в корнях и листьях нижнего яруса даже при резком его недостатке [6, 26]. Следует подчеркнуть, что листья мы отбирали на всех фазах развития растений. В течение вегетации содержание марганца уменьшается во всех органах, поскольку он относится к элементам, легко выщелачиваемым водой из растений, и способен выделяться через корни [12]. Причем этот процесс ускоряется именно к концу вегетации, т.е. к моменту уборки урожая. Кроме того, марганец способен аккумулироваться в прикорневой зоне, и этот процесс усиливается при недостатке кислорода, в условиях, которые зачастую складываются при переувлажнении, что свойственно исследуемым типам почв [4].
Таблица 2
Накопление и баланс марганца в посевах сои (в среднем за 2010-2014 гг.)
Содержание Мп, кг/га Баланс Мп
Вариант опыта Зерно Солома Листья Корни Вся биомасса Вынос: зерно + солома Возврат: листья + корни
Лугово-бурая почва
Контроль 59,68 38,85 187,92 129,20 415,64 98,53 / 25,85 317,12 / 74,15
МУ 59,31 42,87 232,81 130,08 465,07 102,18 / 24,32 362,89 / 75,68
ОМУ 66,60 49,55 215,89 137,53 469,58 116,16 / 25,86 353,42 / 74,14
Лугово-черноземовидная почва
Контроль 55,11 17,89 226,82 73,90 373,71 73,00 / 20,14 300,71 / 79,86
МУ 55,52 24,44 321,87 103,50 505,33 79,96 / 19,07 425,37 / 80,93
ОМУ 51,49 25,99 284,31 101,69 463,49 77,49 / 18,17 386,00 / 81,83
Примечание. Здесь и в табл. 3: МУ - минеральные удобрения, ОМУ - органоминеральные удобрения. В числителе - г/га, в знаменателе - %.
Основными факторами, определяющими круговорот элементов в агрофитоценозах, являются следующие: привнос элементов питания с осадками и удобрениями (в том числе известковыми); вынос их с внутрипочвенным и поверхностными стоками, а также с биомассой возделываемых растений [6]. Баланс макро- и микроэлементов складывается из учета поступления элементов в составе удобрений, атмосферных осадков и отчуждения с урожаем, а также вымывания атмосферными и почвенными водами. Однако хозяйственный вынос элементов в составе получаемой растительной продукции является основным и доминирующим фактором истощения почв биогенными элементами. Известно, что из агроэкосистем отчуждается от 30 до 90 % фитомассы урожая, что приводит к нарушению малого биологического круговорота веществ [1]. Именно поэтому при составлении баланса марганца мы акцентировали внимание на разнице между выносом элемента с зерном и соломой при уборке урожая и возвратом в почву с остающимися корнями и опавшими листьями (в случае с соей).
Хозяйственный вынос марганца с урожаем зерна и соломы на лугово-бурых почвах варьировал от 13 до 35 %, на лугово-черноземовидных - от 10,7 до 30,2 %. Несмотря на то что в разные годы исследований количество марганца, накопленного растениями
Таблица 3
Накопление и баланс марганца в посевах пшеницы (в среднем за 2010-2014 гг.)
Вариант опыта Содержание Мп, кг/га Баланс Мп
Зерно Солома Полова Корни Вся биомасса Вынос: зерно + солома Возврат: полова + корни
Лугово-бурая почва
Контроль 11,23 46,67 21,93 87,04 166,87 57,90 / 38,32 108,97 / 61,68
МУ 12,12 46,39 25,72 126,18 210,40 58,51 / 31,22 151,89 / 68,78
ОМУ 14,36 73,34 35,77 132,33 255,79 87,70 / 38,70 168,09 / 61,30
Лугово-черноземовидная почва
Контроль 65,74 96,29 63,32 253,74 479,09 162,03 / 33,46 317,06 / 66,54
МУ 73,38 109,30 85,68 344,47 612,83 182,68 / 29,68 430,15 / 70,32
ОМУ 76,75 120,14 87,29 338,69 622,87 196,89 / 31,56 425,98 / 68,44
в течение вегетации, существенно колебалось, данное обстоятельство не повлияло на общую картину поведения элемента в системе почва-растение.
Иная картина распределения марганца наблюдалась в растениях пшеницы. В зерновой культуре наибольшая его концентрация обнаружена в корнях, далее по мере снижения концентрации следуют солома > полова > зерно (табл. 3). Стоит отметить, что в зерне пшеницы, выращенной в Приморском крае, содержание марганца в 3,5-4 раза меньше, чем в пшенице, возделываемой в Амурской области.
Содержание марганца в отдельных органах и в растениях в целом, выращенных с использованием удобрений, меняется. Но в целом характер его распределения по органам растений остался неизменным. Поскольку вес фракций корней и зерна несопоставим, вынос элемента с урожаем за счет массы зерна близок к среднему и нередко может превышать 50 %.
Геохимическими барьерами на пути миграции марганца в почвах служат слабокислая или нейтральная реакция среды, повышенное содержание гумуса, низкие фильтрационные свойства исследуемых почв и, несомненно, окислительно-восстановительный потенциал. Кроме того, доступность марганца для растений тесно коррелирует с содержанием фульвокислот. По данным Н.В. Хавкиной [25], кальций в исследуемых почвах нейтрализует фульвокислоты, что также отражается на миграции элемента. Все эти факторы подтверждают данные нашего исследования. Вынос марганца с товарной продукцией невысокий, обеднение почв этим элементом в результате длительного внесения удобрений представляется маловероятным.
Заключение
Лугово-бурые и лугово-черноземовидные почвы, используемые в сельском хозяйстве на юге Дальнего Востока, характеризуются высоким содержанием валовых и подвижных форм марганца, однако концентрация элемента не превышает предельно допустимый уровень и находится в пределах регионального кларка. Такое содержание марганца в почвах позволяет производить экологически чистую растениеводческую продукцию. Вынос элемента с хозяйственной частью урожая сои и пшеницы не превышает 40 %, что свидетельствует о средней агрохимической активности марганца. Лишь при резком изменении основных агрохимических свойств изучаемых почв марганец может стать дефицитным для растений элементом. Чаще всего это происходит в почвах, имеющих нейтральную или щелочную реакцию, а также при внесении высоких доз извести. Длительное применение минеральных и органических удобрений существенно не повлияло на характер накопления и баланс марганца в растениях сои и пшеницы на обоих типах почв.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ананьева Э. В. Круговорот макро- и микроэлементов в основных агроценозах Амурской области: авто-реф. дис. ... канд. с.-х. наук. Владивосток, 2007. 20 с.
2. Барбер С. А. Биологическая доступность питательных веществ в почве: Механистический подход. М.: Агропромиздат, 1988. 376 с.
3. Виноградов А. П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. 1962. №7. С. 555-571.
4. Власюк П.А., Климовицкая З.М. Физиологическое значение марганца для роста и развития растений. М.: Колос, 1969. 162 с.
5. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2041-06: Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. М.: Изд-во стандартов, 2006. 5 с.
6. Голов В.И. Круговорот серы и микроэлементов в основных агроэкосистемах Дальнего Востока: монография. Владивосток: Дальнаука, 2004. 316 с.
7. Голов В.И. Микроэлементный состав почв Приморья // Характеристика агроземов Приморья. Уссурийск, 2002. С. 145-155.
8. Голов В.И. Содержание микроэлементов и тяжелых металлов в пахотных почвах Дальнего Востока // Вестн. Рос. сельхоз. академии. 2010. № 4. С. 16-19.
9. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
10. Ильин В.Б. Элементарный химический состав растений. Новосибирск: Наука, 1985. 129 с.
11. Карпова Е.А. Длительное применение удобрений и тяжелые металлы в агроэкосистемах // Проблемы агрохимии и экологии. 2008. № 2. С. 19-22.
12. Ковалевский А.Л., Чимитдоржиева Г.Д. О подвижных формах химических элементов в растениях // Микроэлементы в Сибири: инф. бюл. 1968. № 6. С. 48-65.
13. Костенков Н.М. Окислительно-восстановительные режимы в почвах периодического переувлажнения. М.: Наука, 1987. 192 с.
14. Куркаев В.Т., Шеуджен А.Х. Агрохимия: учеб. пособие для студентов вузов по агрон. специальностям. Майкоп: Адыгея, 2000. 552 с.
15. Куркаев В.Т. Применение удобрений в Приамурье. Благовещенск: Хабар. кн. изд-во, 1965. 72 с.
16. Подколзин О.А. Состояние и охрана агроэкосистем от химического загрязнения в Центральном Предкавказье. Ставрополь: Параграф, 2009. 352 с.
17. Пуртова А.Т. Марганец, кобальт и медь в почвах Суйфуно-Ханкайской равнины Приморья // Уч. зап. ДВГУ 1969. Т. 27. С. 10-44.
18. Роде А.А. Почвоведение. М.: Гослесбумиздат, 1955. 524 с.
19. Росликова В.И. Марганцево-железистые конкреции в почвах Суйфуно-Ханкайской низменности // Почвоведение. 1961. № 4. C. 82-90.
20. Росликова В.И. О некоторых особенностях луговых почв Приморья // Почвоведение. 1958. № 5. C. 52-61.
21. Рясинская Л.М., Иванов Г.И., Грицун А.Т., Хавкина А.В. Действие разных доз извести на изменение физико-химических свойств лугово-бурой отбеленной почвы и урожай сельскохозяйственных культур // Пути повышения продуктивности растениеводства на Дальнем Востоке. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1981. 204 с.
22. Синельников Э.П., Слабко Ю.И. Агрогенезис почв Приморья. М.: ГНУ ВНИИА, 2005. 280 с.
23. Танделов Ю.П. Фтор в системе почва-растение. 2-е изд., перераб. и доп. Красноярск, 2012. 146 с.
24. Тимофеева Я.О., Голов В.И. Железо-марганцевые конкреции как накопители тяжелых металлов в некоторых почвах Приморья // Почвоведение. 2007. № 12. С. 1463-1471.
25. Хавкина Н.В. Изменение содержания и состава гумуса в пахотных почвах Приморья // Почвенные и агрохимические исследования на Дальнем Востоке. Владивосток, 1970. С. 40-48.
26. Хофф Л., Медерский Х. Микроэлементы. М.: Недра, 1962. С. 151-160.
27. Школьник М.Я. Микроэлементы в жизни растений. Л.: Наука, 1974. 324 с.
28. Koster W. Dungunger Notwendige Kulturmabnahme oder Umweltbelastung? // Geograf. Rdsch. 1990. N 3. S. 159-163.
29. Timofeeva Y.O., Semal' V.A., Burdukovskii M.L., Karabtsov A.A., Bondarchuk N.V. Iron-manganede nodules in udepts: the dependence of the accumulation of trace elements on nodule size // Soil Sci. Soc. Am. J. 2014. Т. 78, N 3. С. 767-778.
