CC BY
87
МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. Вып. 1 (140), 2009
В. И. Голов,
гл. научный сотрудник, д-р биологических наук
Биолого-почвенный институт ДВО РАН
675027, Амурская область, г. Благовещенск, Игнатьевское шоссе,19 тел. (416)236-9450, тел/факс (416)236-9558 E-mail: [email protected], www.gmail.com/~seray
ОСОБЕННОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ И ВЫНОСА ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ РАСТЕНИЕМ СОИ
Ключевые слова: соя, стационарный опыт, элементы питания, фосфор, бор, никель, вынос, баланс, возврат
УДК 631.416.8:631.811:581.1 [633.853.52
Введение. Изучение закономерностей поглощения питательных элементов культурными растениями до сегодняшнего дня служит теоретической основой применения удобрений, содержащих соответствующие
элементы. Величина поглощения и выноса элементов ориентирует нас в отношении норм и доз внесения удобрений. Динамика же накопления их в течение вегетации растений служит исходной информацией для принятия решений по срокам и в некоторой степени способам их внесения [1, 2].
Сведения по содержанию в растениях тяжелых металлов, помимо выяснения пределов их токсичности, необходимы сейчас для поиска растений-концентраторов, как среди культурной, так и естественной флоры. Фиторемедиация или фитомелиорация почв, загрязненных тяжелыми металлами, в настоящее время является наиболее экономичным и легкодоступным способом очистки почв от элементов-загрязнителей [3, 4].
Основным показателем круговорота и баланса питательных элементов в агрофитоценозах служит их вынос с продуктивной частью урожая, и, если он не пополняется по мере использования почв, возникает их дефицит, лимитирующий урожай. Помимо различного уровня урожая возделываемых культур, который определяется их биологическими особенностями и содержанием соответствующих элементов в почвах, вынос элементов питания зависит от соотношения его общей (или биологической) и хозяйственной составляющих [5]. При этом интенсивность истощения почв элементами питания при выращивании культур, биомасса которых практических полностью отчуждается с поля (капуста, морковь, свекла, салаты и др.), значительно выше, чем у других, при прочих равных условиях. И, наконец, на поглощение и вынос элементов питания могут влиять гидротермические условия года, сорт и применяемые удобрения.
Целью наших исследований было определение особенностей накопления и выноса элементов питания, а также тяжелых металлов растением сои при возделывании ее на почвах Амурской области при внесении минеральных и органических удобрений в системе севооборота.
Материалы и методы. Для изучения баланса питательных элементов в посевах сои образцы растений и почвы отбирались на агрохимическом стационаре ВНИИ сои в опыте с длительным применением удобрений, заложенном в 1962 г. в 5-польном севообороте с двумя полями сои (т. е. в структуре посевных площадей соя в севообороте занимает 40 %). Следовательно, ко времени проведения наших исследований (2002-2004 гг.) было внесено в варианте с минеральными удобрениями 840 кг азота (по д. в.) и 1050 кг фосфора, а в варианте с органо-минеральными удобрениями кроме названного количества азота и фосфора было внесено 168 т навоза. Калийные и известковые удобрения не вносили, т. к. на этих почвах они неэффективны. В течение вегетации определяли вес опавших листьев, используя для этого специальные марлевые опадоуловители, и в конце вегетации раздельно учитывали массу семян, соломы и пожнивных остатков (корни с частью стебля 5-10 см от поверхности почвы, которые остаются на поле после уборки комбайном). Корни отбирали методом монолита из 30 см пахотного горизонта и отмывали их от почвы дождевой водой на тонком сите.
Для определения величины выноса изучаемого элемента с гектара необходимо знать его концентрацию в каждой фракции урожая и массу этой фракции в пересчете на 1 га. Зная урожай сои по перечисленным фракциям и концентрацию искомых элементов, легко подсчитать их вынос с отчуждаемой (семена + солома) и возврат с непродуктивной частью урожая, остающейся на поле (листья + пожнивные остатки). В настоящей работе приведены величины выноса трех наиболее представительных элементов - фосфора, бора и никеля, отличающихся разной способностью накапливаться в растениях сои. Баланс других, не менее важных для сои элементов (азота, серы, марганца, цинка, молибдена и хрома) был нами опубликован ранее [5, 6].
В полевых опытах использовался районированный в Приамурье сорт Соната, агротехника возделывания сои была традиционной, принятой в зональной системе земледелия. Содержание азота, фосфора и калия в растительных пробах определяли по В. Т. Куркаеву [7] из одной навески, микроэлементы и тяжелые металлы - атомно-абсорбционным методом с использованием спектрофотометра «Квант», общий бор в растениях определяли хинализариновым методом с колориметрическим окончанием. Для краткости баланс указанных элементов в посевах сои приведен (табл. 2 -4) в среднем за 3 года наблюдений (с 2002 по 2004 годы), т.к. закономерности накопления и выноса этих элементов в течение трех лет были совершенно идентичны.
Результаты и обсуждение. Основные исследования по балансу упомянутых элементов были проведены на луговых черноземовидных почвах, составляющих около 35 % всего пахотного фонда Амурской области. Это наиболее плодородные почвы Дальнего Востока с оптимальным содержанием гумуса (от 3,0 до 4,0 %) и слабокислой реакцией (рН Кс1 5,0-6,0) [8]. Содержание основных элементов питания достаточное для возделывания сои (табл. 1), а микроэлементов - высокое или оптимальное [5]. Исключение составляют молибден и сера. Удобрения, содержащие Мо, практически всегда эффективны на этих почвах, а борные действуют положительно на фоне высоких доз извести, на кислых буро-подзолистых и легких почвах (бурых лесных и аллювиальных). Серные удобрения бывают эффективные при внесении под сою, особенно на фоне оптимального питания азотом, хотя это проявляется более заметно на злаковых культурах.
Как видно из приведенных в таблице 1 данных, длительное применение одних минеральных удобрений слегка подкисляет почву, что более заметно по изменению величины гидролитической кислотности, кроме того, увеличивается содержание доступных форм фосфора, что является следствием длительного применения фосфорных удобрений. Все виды удобрений увеличивают содержание гумуса за
счет повышения побочной продукции, остающейся на поле после уборки, а также от привноса органики с навозом. Остальные агрохимические показатели практически не менялись от внесения минеральных и органических удобрений.
Таблица 1 — Влияние длительного применения удобрений на основные агрохимические свойства луговых черноземовидных почв [8]
Вариант опыта (всего внесено удобрений до 2002 г.) Гумус, % рн Мг/кг Мг.экв/100 г
водной солевой Р2О5 К2О Са+Мg Нг
Контроль (без удобрений) 3,5 6,3 5,3 34 166 23,4 4,4
*МУ№40 Р1050 ) 4,0 6,2 5,1 42 180 23,7 4,8
**ОМУ(№ + навоз 168 т) 4,1 6,4 5,3 55 177 23,8 3,9
Здесь и далее: *МУ - минеральные удобрения, **ОМУ - органо-минеральные удобрения.
Баланс фосфора в посевах сои. Фосфор в растениях сои так же, как азот и сера, при созревании в основном накапливается в генеративных органах - в 15-20 раз больше, чем в листьях, и в 2-4 раза больше, чем в соломе и пожнивных остатках (табл. 2).
Таблица 2 - Накопление и вынос фосфора растением сои (Р2 О5 кг/га)
Вариант опыта Фракции урожая (содержание Р2О5) Во всей биомассе В кг/га В %
вынос (семена + солома) возврат (листья + корни) вынос (семена + солома) возврат (листья + корни)
семена солома листья корни
Контроль 29,1 7,8 1,6 7,0 45,5 36,9 8,6 81,1 18,9
МУ 24,3 8,2 1,3 8,5 42,3 32,5 9,8 71,8 28,2
ОМУ 23,4 9,5 1,4 8,3 42,6 32,9 9,7 71,2 28,8
Вследствие более высокой концентрации фосфора в отчуждаемых с поля фракциях, хозяйственный вынос (с урожаем) у фосфора, как у азота, серы и молибдена, как правило, бывает интенсивным (т.е. выше 60 %) [5]. На контроле он составил 81,1 %, при внесении минеральных удобрений - 71,8 %, а при внесении минеральных и органических удобрений - 71,2 %. Вынос фосфора с семенами на контроле оказался несколько выше, чем по фону удобрений. Это объясняется тем, что при дефиците биогенных элементов и к тому же способных к реутилизации в растениях, к которым относится фосфор, в семенах он, как правило, накапливается в относительно большем количестве. Так обычно растения обеспечивают свои будущие поколения необходимыми элементами, что особенно ярко проявляется при их недостатке. Кроме этого, его высокая концентрация в генеративных органах, как и азота, объясняется непосредственным участием этого элемента в процессах прорастания семян и обеспечении жизнедеятельности растений до перехода их на корневое питание.
Таким образом, круговорот фосфора в посевах сои, как и азота или молибдена, следует отнести к интенсивному типу (агрохимически активному), при котором большая часть накопленного за вегетацию элемента выносится с поля, поэтому требуется его систематическое восполнение в виде удобрений.
Баланс бора в посевах сои. Поглощение бора растениями сои происходит несколько иначе, чем фосфора, азота и молибдена. Как показали многочисленные исследования, он большей частью попадает в растения с транспирационным током воды, т.е. пассивно, в отличие от активного поглощения упомянутых выше элементов. Поэтому очень важно для растений, в т.ч. сои, чтобы его концентрация в почвах была достаточной для роста и развития исследуемой культуры в течение всей вегетации. Однако в виду того, что он не способен к реутилизации в растениях, резкий недостаток его в почвах может привести к депрессивному эффекту в любой фазе развития растительного организма [9].
Как показали наши исследования, максимальное накопление этого элемента, при оптимальном обеспечении им растений сои, происходит в листьях и в соломе. Несколько меньше его обнаруживается в семенах и корнях. Наибольшее количество бора соя накапливает к фазе бобообразования, после чего концентрация его снижается. Согласно нашей градации его следует отнести к элементам со средней агрохимической активностью, т.к. количество отчуждаемого бора и остающегося на поле у сои примерно одинаково, соответственно 51,5 и 48,5 % (табл. 3). К этой группе элементов у сои можно отнести калий, у которого вынос примерно такой же, как у бора.
Таблица 3 — Накопление и вынос бора растением сои (г/га)
Вариант опыта Фракции урожая во всей биомассе в г/га в %
в семенах в соломе в листьях в корнях вынос возврат вынос возврат
Контроль 36,3 45,1 39,5 36,7 157,6 81,4 76,2 51,6 48,4
МУ 33,2 41,0 37,0 34,1 145,3 74,2 71,1 51,1 48,9
ОМУ 36,5 44,2 39,0 36,2 155,9 80,7 75,2 51,8 48,2
Длительное применение удобрений не внесло существенных отклонений в баланс этого элемента в посевах сои, т.к. с минеральными удобрениями этот элемент не вносится, а в навозе его содержание слишком мало, чтобы повлиять на общий его круговорот в агроэкосистеме. Борные удобрения, как было отмечено нами выше, на этих почвах неэффективны в виду достаточной обеспеченности их этим элементом.
Накопление бора и его вынос с урожаем сои зависит, главным образом, от времени выращивания культуры. Это подтверждается данными, полученными ранее, когда один и тот же сорт Смена, но посеянный в разные сроки, накопил разное количество бора. Причем растения, которые вегетировали дольше (1-й срок), содержали его в надземной массе в 1,5 раза больше. Этот факт также свидетельствует о том, что поглощение бора растениями - процесс пассивный, зависящий в основном от транспирации, поэтому при торможении последней (во время туманов или высокой относительной влажности) могут появиться симптомы недостатка бора.
Таким образом, вынос бора с зерном и соломой у рассматриваемых культур примерно равен тому количеству, которое остается на поле, что побуждает нас отнести этот элемент к агрохимически среднеак-тивному (хозяйственный вынос составляет 40-60 % от общего биологического). В связи с этим риск истощения почв в отношении бора значительно меньше, чем, например, в случае с фосфором или молибденом. В полевых условиях вынос бора пшеницей с соломой и зерном, как показали наши исследования, составляет около 10 г/т зерна, что примерно на порядок меньше, чем у сои. В виду незначительного выноса этого элемента соей и другими культурами, необязательно вносить (там, где это необходимо) борные удобрения ежегодно, а вполне достаточно только по мере истощения почв или при переходе его в недоступные для растений формы, как это наблюдается при известковании почв [5].
Баланс никеля в посевах сои. Поглощение никеля растением сои во многом напоминает закономерности, отмеченные для других тяжелых металлов, и которые заключаются в преимущественном накоплении их в корнях, благодаря наличию у растений защитных механизмов, препятствующих передвижению таковых в надземные, особенно генеративные органы [10, 11].
Максимальное накопление никеля, согласно полученных нами данных, отмечено в корнях с пожнивными остатками (табл. 4). Далее, по мере снижения концентрации, следуют семена, листья и меньше всего обнаружено этого элемента в соломе. Таким образом, агрохимическая активность этого элемента низкая (менее 40 %), поэтому вероятность истощения почв в отношении никеля значительно ниже, чем для таких элементов, как азот, фосфор и сера. Примерно такая же закономерность в растительной топографии элемента установлена нами для марганца, хрома, свинца и олова [5, 6], о которых также можно сказать, что они малоактивны в агрохимическом отношении. Поэтому вероятность истощения почв для перечисленных элементов чрезвычайно мала. Исключение составляют случаи их генетической недостаточности в почвообразующих породах (например, серпентинах) или в щелочных, переизвесткованных почвах, которые для территории России нетипичны.
Таблица 4 — Накопление и вынос никеля растением сои (г/га)
Вариант опыта Фракции урожая Во всей биомассе В г/га В %
в зерне в соломе в листьях в корнях вынос возврат вынос возврат
Контроль 3,7 0,5 2,2 9,4 15,8 5,9 9,9 37,3 62,7
МУ 3,4 0,5 2,0 8,8 14,7 5,4 9,3 38,7 61,3
ОМУ 3,7 0,4 2,2 9,3 15,6 5,9 9,7 37,8 62,2
Однако необходимо подчеркнуть одну особенность в накоплении никеля растениями. В отличие от типичных (по топографии в растениях) тяжелых металлов, таких как свинец, хром и марганец, у которых максимальная концентрация отмечена в корнях, а минимальная в зерне, для никеля после корней по величине его накопления следует зерно. Поэтому опасность попадания никеля в пищевые трофические цепи значительно выше, чем у перечисленных выше тяжелых металлов. Пока не совсем ясно такое поведение никеля в растениях, хотя в последнее время этому вопросу уделяется повышенное внимание отечественных и зарубежных ученых [12, 13, 14].
Выводы. 1. Распределение фосфора в растениях сои аналогично распределению таких элементов, как азот, сера и молибден. Максимальное его накопление отмечено в генеративных органах, поэтому данный элемент следует отнести к группе агрохимически активных (вынос с урожаем более 60 % от всего накопленного за вегетацию). Повышенный вынос фосфора с урожаем предполагает его регулярное внесение под возделываемые культуры с удобрениями, содержащими этот элемент.
2. Вынос бора с зерном и соломой у сои примерно равен тому количеству, которое остается на поле с листьями и пожнивными остатками, что побуждает нас отнести этот элемент к агрохимически среднеактив-ному (хозяйственный вынос составляет 40-60 % от общего биологического). В связи с этим риск истощения почв в отношении бора значительно меньше, чем для фосфора, и поэтому внесение борных удобрений не носит регулярного характера.
МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. Вып. 1 (140), 2009
3. Максимальное накопление никеля отмечено в корнях с пожнивными остатками. Далее, по мере снижения концентрации, следуют семена, листья и меньше всего обнаружено этого элемента в соломе. Таким образом, агрохимическая активность этого элемента низкая (менее 40 %), поэтому вероятность истощения почв в отношении никеля значительно ниже, чем у предыдущих элементов. Учитывая его высокую подвижность в растениях, необходимо вести его мониторинг в получаемой продукции.
Литература
1. Соколов, А. В. Состояние и задачи теоретических и методических работ в области агрохимии /
A. В. Соколов //Агрохимия. - 1967. - № 1. - С. 3-23.
2. Куркаев, В. Т. Почвы и диагностика питания растений в Приамурье / В. Т. Куркаев, Г. К. Шелевой, Р. Н. Степкина // Методические рекомендации. ВАСХНИЛ СО ВНИИ сои. - Новосибирск, 1984. - 92 с.
3. Башмаков, Д. И. Эколого-физиологические аспекты аккумуляции тяжелых металлов цветковыми растениями / Д. И. Башмаков, А. О. Лукаткин // Биотехнология на рубеже двух тысячелетий: Материалы международной научной конференции. - Саранск, 2001. - С. 216-218.
4. Валитова, А. Р. Влияние осадка сточных вод и извести на агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы, продуктивность фитомелиорантов и вынос ими тяжелых металлов / А. Р. Валитова, Т. Н. Болышева, В. Г. Минеев //Агрохимия. - 2006. - № 10. - С. 74-79.
5. Голов, В. И. Круговорот серы и микроэлементов в основных агроэкосистемах Дальнего Востока /
B. И. Голов. - Владивосток: Дальнаука, 2004. - 316 с.
6. Голов, В. И. Вынос макро- и микроэлементов основными культурами Амурской области / В. И. Голов, Э. В. Ананьева, О. С. Самохвалова // Доклады РАСХН. - 2007. - № 5. - С. 10-12.
7. Куркаев, В. Т. Определение содержания азота, фосфора и калия в растениях из одной навески по Куркаеву / В. Т. Куркаев, А. Х. Шеуджен // Агрохимия: Учебное пособие. - Майкоп, ГУРИПП «Адыгея», 2000. - С. 434-437.
8. Наумченко, Е. Т. Влияние длительного внесения удобрений на продуктивность севооборота и плодородие луговой черноземовидной почвы / Е. Т. Наумченко, И. Г. Ковшик // Пути воспроизводства плодородия почв и повышение урожайности сельскохозяйственных культур в Приамурье. - Благовещенск: Изд-во ДальГАУ, 2002. - Вып. 8. - С. 111-116.
9. Школьник, М. Я. Микроэлементы в жизни растений / М. Я. Школьник. - Л.: Наука, 1974. - 324 с.
10. Алексеев, Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю. В. Алексеев. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 144 с.
11. Ильин, В. Б. К оценке массопотока тяжелых металлов в системе «почва-сельскохозяйственная культура» / В. Б. Ильин //Агрохимия. - 2006. - № 3. - С. 51-57.
12. Гомонова, Н. Ф. Состояние никеля в системе «почва-растение» при длительном применении агрохимических средств на дерново-подзолистой почве / Н. Ф. Гомонова // Агрохимия. - 2000. - № 10. - С. 68-74.
13. Андреев, И. В. К вопросу о возможных причинах высокой подвижности никеля в растениях / И. В. Андреев, В. В. Говорина //Агрохимия. - 2008. - № 6. - С. 68-71.
14. Yadav, R. Effect of nickel on the growth performance of wheat / R. Yadav, N. C. Aery // Plant Arch. -2002. - V. 2. - № 1. - P. 133-135.
