CC BY
73
УДК (631.8:633.174):631.95
А.В. Синдирева
ВЛИЯНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ Ni, 2п, Си, Pb) НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ЮЖНОЙ ЛЕСОСТЕПИ ОМСКОЙ ОБЛАСТИ
Ключевые слова: микроэлементы, столовая свекла, морковь, рапс яровой, Омская область, экологическая оценка.
Введение
Формирование урожая, качество растениеводческой продукции зависят от химического состава растений. Поэтому крайне важно исследование влияния микроэлементов на элементный состав растений. С экологической позиции интерес представляет исследование влияния на химический состав растений тех элементов, поступление которых в почву возросло в результате антропогенной деятельности, в частности, тяжелых металлов.
По силе своего действия факторы, влияющие на поступление микроэлементов в растение, располагаются в следующем порядке: сельскохозяйственная культура, концентрация элементов в почве, содержание в ней органического вещества, емкость поглощения катионов и др. [1, 2].
Известно, что повышенное содержание микроэлементов в почве, как и их недостаток, в целом нежелательны для растений. Однако отдельные виды растений накапливают определенное количество микроэлементов без видимых признаков угнетения, другие растения такой способностью не обладают. Это связано с геохимической ситуацией среды, в которой формировался определенный вид растения.
Объекты и методы исследования
В процессе исследований установлено влияние кадмия, никеля, цинка на химический состав столовой свеклы, моркови и кормовой культуры — рапса ярового.
Микроэлементы определяли в ФГУ ЦАС «Омский» атомно-абсорбционным методом. Опыты со столовой свеклой, морковью, рапсом яровым заложены на лугово-черноземной почве южной лесостепи Омской области в условиях моделирования антропогенного поступления кадмия, никеля, цинка в дозах 7, 22 и 36 кг/га под столовую свеклу и морковь, а также в дозах, соответствующих 0,5-2 ПДК этих элементов в почве под рапс яровой. Фоном (Ф) на вариантах с
морковью являлось внесение фосфора в дозе 90 кг/га, столовой свеклой — азота в дозе 45, фосфора в дозе 90 кг/га. Исследования проведены в 1996-2008 гг.
Экспериментальная часть
Исследования, проведенные со столовой свеклой, морковью показали, что поглощение, распределение и накопление тяжелых металлов в растениях зависели от культуры, вносимого в почву элемента, метеорологических условий года. Содержание тяжелых металлов также во многом определяется фазой развития растений. В таблице 1 представлены средние многолетние данные о содержании тяжелых металлов в столовой свекле и моркови на период уборки.
Известно, что кадмий обладает высокой скоростью поступления в растения и быстрым передвижением к органам запасания ассимилянтов [3]. Исследования показали, что внесение кадмия в среднем способствовало увеличению содержания этого металла в свекле по сравнению с фоном в течение всего периода вегетации. Наибольшее увеличение содержания этого элемента в растении наблюдается в засушливые годы. Очевидно, это объясняется меньшей сопротивляемостью растения избытку тяжелых металлов в неблагоприятных для него метеорологических условиях. К периоду биологического созревания растений содержание кадмия в корнеплодах свеклы, выращенной на варианте с внесением этого элемента в дозе 7 кг/га, в среднем за годы исследований было выше на 27,7% по сравнению с растениями фонового варианта и составляло 0,23 мг/кг. К периоду уборки моркови содержание кадмия снижается в корнеплодах и увеличивается в ботве в среднем за годы исследований на 65,8%, что составляет 0,68 мг/кг. Очевидно, морковь обладает избирательной способностью и защитными механизмами, что позволяет ей в меньшей степени пропускать кадмий в корнеплоды и накапливать их в листьях [4].
Таблица 1
Влияние кадмия, никеля, цинка на накопление микроэлементов в столовой свекле и моркови, мг/кг сухого вещества
Вариант Кадмий Никель Цинк Медь Свинец
Столовая морковь
Корнеплод
Фон (Ф) 0,15 0,84 19,7 3,18 1,24
Ф+Cd7 0,16/+6,7 0,70/-16,6 17,6/-10,7 3,00/-5,66 1,07/-13,7
Ф+М22 0,11/-26,6 1,52/+80,9 9,94/-49,9 3,10/-2,50 1,20/-3,20
Ф+гп36 0,24/+60,0 1,00/+19,0 22,5/+14,2 3,68/+15,7 1,33/+7,26
Надземная масса
Фон (Ф) 0,41 3,20 20,9 3,87 3,23
Ф+Cd7 0,68/+65,8 1,76/-45,0 19,9/-7,78 4,64/+19,9 4,07/+26,0
Ф+М22 0,40/-2,44 2,29/-28,4 16,9/-4,00 3,27/-15,5 3,60/+11,4
Ф + 7П36 0,39/-4,88 1,99/-37,8 17,3/-17,2 4,42/+55,0 3,62/+12,1
Столовая свекла
Корнеплод
Фон (Ф) 0,18 0,62 12,6 5,49 2,23
Ф+Cd7 0,23/+27,7 0,53/-14,5 15,6/+23,8 5,40/-1,60 2,01/-9,87
Ф+М22 0,31/+72,2 1,06/+70,9 17,3/+37,9 5,57/+1,46 2,63/+17,9
Ф+гп36 0,52/+188,9 0,78/+25,8 17,4/+38,1 6,10/+11,1 2,26/+1,35
Надземная масса
Фон (Ф) 0,70 3,10 20,8 6,90 2,66
Ф+Cd7 0,56/-20,0 1,60/-48,4 14,9/-28,4 3,23/-53,2 2,93/+10,2
0,60/-14,3 3,20/+3,22 26,9/+29,3 6,87/-0,40 3,77/+41,7
Ф+7П36 1,26/+80,0 2,70/-12,9 22,9/ +10,1 5,84/-15,4 4,27/+60,5
* В числителе — содержание микроэлемента, мг/кг сухого вещества; в знаменателе — изменения по сравнению с фоном, %.
Применение никеля под столовую свеклу способствовало увеличению содержания этого элемента в корнеплоде в течение всего периода вегетации. Наибольшее увеличение его содержания в корнеплодах столовой свеклы, выращенной с внесением N в дозе 22 кг/га, наблюдалось к периоду уборки и составляло 1,1 мг/кг, что выше уровня фона на 70%. К периоду уборки моркови значительное увеличение никеля наблюдается в корнеплодах при применении этого элемента только в засушливые годы.
Содержание цинка в растениях в течение всего периода вегетации на варианте с внесением этого элемента в почву в дозе 36 кг/га зависело от метеорологических условий года. Наиболее значительно содержание Zn увеличивается по сравнению с фоном в корнеплодах и ботве свеклы к периоду уборки. На вариантах с морковью к периоду уборки содержание цинка в корнеплодах выше по сравнению с фоном в среднем на 14,4%. Неоднозначно накопление цинка в ботве: в умеренно влажные годы отмечено его снижение, а в условиях засушливого года отмечалось увеличение микроэлемента на 23% по сравнению с растениями фонового варианта.
В целом исследованиями установлено, что содержание тяжелых металлов в растениях всех вариантов, как правило, было
наибольшим в начальные периоды развития столовой свеклы и моркови. К периоду биологического созревания растений в целом содержание кадмия, никеля, цинка более низкое.
Это объясняется эффектом «разбавления», поскольку в более поздние фазы развития растений скорость накопления биомассы урожая превышает скорость поступления этих элементов в растения, в результате происходит расконцентрация элементов. Такая закономерность в накоплении тяжелых металлов растениями отмечена также в работах других авторов [1].
Таким образом, внесение кадмия, никеля, цинка в почву способствовало в целом изменению химического состава растений свеклы и моркови. В зависимости от метеорологических условий года, фазы роста и развития корнеплодов, а также содержания элементов в почве такие изменения наблюдались в сторону увеличения или снижения содержания микроэлементов. Исследования показали, что столовая свекла по сравнению с морковью поглощает из поступивших в почву тяжелых металлов больше цинка в 1,6, никеля — в 4 и кадмия — в 3,5 раза.
В таблице 2 представлено накопление микроэлементов в рапсе при основном внесении Cd, Zn на период физиологической зрелости растения.
Таблица 2
Влияние Cd, Ni, Zn на накопление микроэлементов в рапсе яровом
(в среднем за 2004-2006 гг.)
Вариант Кадмий Никель Цинк Медь Свинец
Контроль 0,59 4,42 32,77 3,05 3,85
Cd 0,5ПДК (3,5 кг/га) 0,73 /+27,3* 5,11/+15,6 41,41/+26,4 5,25/+72,1 3,93/+2,1
Cd 1ПДК (7,0 кг/га) 0,91/+54,2 6,16/+39,4 65,21/+99,0 5,3/+73,7 5,98/+55,3
Cd 2ПДК (14,3 кг/га) 0,98/+66,1 5,02/+13,6 66,19/+102,0 5,19/+70,2 4,93/+28,1
N 0,5ПДК (3,6 кг/га) 0,66/+11,8 5,09/+15,2 44,12/+34,6 5,85/+91,8 5,52/+43,4
N 1ПДК (8,4 кг/га) 0,76/+28,8 5,31/+20,4 44,03/+31,4 4,81/+57,7 5,4/+40,3
N 2ПДК (18,0 кг/га) 0,75/+27,1 5,63/+27,3 41,90/+27,9 5,64/+84,9 5,03/+30,6
Zn 0,5ПДК (26,2 кг/га) 0,57/-3,4 4,48/+1,4 46,24/+41,1 4,59/+50,5 3,49/-9,4
Zn 1ПДК (53,7 кг/га) 0,54/-8,5 6,05/+36,8 50,97/+55,6 5,53/+81,3 6,68/+73,5
Zn 2ПДК (109 кг/га) 0,47/-20,3 3,81/+13,8 39,18/+19,6 4,76/+56,1 5,39/+40,0
Исследования, проведенные с рапсом яровым, показали, что помимо вышеперечисленных факторов, формирование химического состава зависит не только от биохимических свойств, но и дозы вносимого элемента. Опыты, проведенные в условиях, граничащих с загрязнением металлами почвы (дозы 0,5-2 ПДК), особенно четко показывают, что поступление и накопление элемента во многом зависят от особенностей культуры, наличия защитных механизмов растения и потребности его в определенном химическом элементе. Несмотря на то, что практически во всех случаях установлена прямая тесная математическая зависимость между дозой вносимого элемента и его содержанием в зеленой массе растений, полученные в уравнениях коэффициенты регрессии свидетельствует о различном характере поступления кадмия, никеля, цинка.
В процессе исследований установлена зависимость между дозами применения кадмия и содержанием микроэлемента в рапсе яровом на период физиологической зрелости растений, которая выражается уравнением:
у = 0,027 х + 0,63, г = 0,94, где у — содержание кадмия в растении, мг/кг;
х — доза поступления кадмия, кг/га.
Накопление никеля при корневом его поступлении в рапс яровой происходило менее интенсивно, нежели кадмия. Согласно данным таблицы 2 внесение наибольшей дозы никеля 2 ПДК (17,9 кг/га) приводит к его увеличению в среднем за годы исследования на 27,3%, что говорит о незначительных темпах накопления элемента.
Особый интерес представляет влияние цинка на содержание этого микроэлемента в зеленой массе рапса ярового. Очевидно, при высоких дозах внесения цинка
(свыше 53,8 кг/га) в лугово-черноземную почву срабатывают защитные механизмы растения, препятствующие накоплению микроэлемента.
Результаты и их обсуждение
Таким образом, проведенные многолетние исследования в условиях моделирования антропогенного поступления кадмия, никеля, цинка под столовую свеклу, морковь, рапс яровой позволили выявить следующие основные закономерности:
- дополнительное поступление кадмия, никеля, цинка в почву в большинстве случаев способствует увеличению содержания этих элементов как в органах запасания ассимилянтов, так и в генеративных органах растений;
- поглощение кадмия, никеля, цинка убывает в ряду: рапс яровой > столовая свекла > морковь;
- в начальные периоды развития растений содержание микроэлементов выше, нежели к периоду физиологической зрелости, что объясняется эффектом «рас-концентрации»;
- в засушливый год темпы накопления микроэлементов в органах растений выше, в умеренно влажный — ниже, что можно объяснить лучшей работой защитных механизмов растения в более благоприятных для него условиях;
- по абсолютному содержанию в растениях изучаемые микроэлементы можно расположить в следующей убывающей последовательности: цинк > никель > кадмий, что связано с их химическими свойствами и биологической ролью; в то же время по темпам накопления кадмий превосходит никель и цинк.
Многолетние полевые исследования позволили рассчитать нормативные коэффициенты «Ь» интенсивности действия поступивших в лугово-черноземную почву кадмия, никеля, цинка на изменение содер-
жания этих элементов в корнеплодах столовой свеклы, моркови, а также в зеленой массе рапса ярового (табл. 3).
Таблица 3 Коэффициенты интенсивности действия «Ь» кадмия, никеля, цинка на химический состав растений, мг/кг сухого вещества
Полученные нормативы способствуют прогнозу элементного состава растений при антропогенном поступлении Cd, Zn в почву по формуле:
Jмк/кг = D x Ь, где J — содержание микроэлементов в растениях, мг/кг сухого вещества;
D — доза поступившего элемента в почву, кг/га;
Ь — коэффициент интенсивности действия единицы поступившего элемента в почву, мг/кг.
Установленные количественные значения коэффициента интенсивности действия «Ы> используются в практической агрохимии и экологии с целью расчета необходимой дозы применяемого микроэлемента, оценки его накопления в сельскохозяйственных культурах, а также для оценки химического состава и качества растениеводческой продукции.
Проведенные нами исследования показали, что при поступлении кадмия, никеля, цинка в растения в период их активного роста и развития проявляется определенная зависимость между ними и другими элементами, которая имеет различную степень связи. Это объясняется неодинаковой потребностью растения в химических элементах в определенные фазы роста и развития.
На основе установленных математических зависимостей между отдельными парами ионов при поступлении в растения свеклы и моркови составлены схемы взаимоотношения между Cd-Ni-Zn-Cu-Pb с учетом развития растительного организма (табл. 4).
В условиях моделирования антропогенного поступления кадмия, никеля, цинка в дозах от 0,5 до 2 ПДК меняется характер взаимного влияния микроэлементов. При
этом установлены зависимости, позволяющие прогнозировать химический состав рапса ярового на период его физиологической зрелости в условиях дополнительного поступления кадмия, никеля, цинка (табл. 5).
Таблица 4 Взаимоотношение между ионами тяжелых металлов при поступлении
в корнеплоды к периоду физиологической зрелости растений
Столовая свекла Морковь
4 = 0,43С + 0,56, г = 0,94 141 = 3,5С + 0,17, Г = 0,97
2п = 9,44С — 123,ЗО^ + 0,013 2п = 107,3С + 2,04, Г = 0,87
Си = 2,06С + 4,99, Г = 0,99 Си = 7,4-28,50^ Г = -0,97
РЬ = 14,ЗС — 190^ + + 0,014 РЬ = 4,95-23,5 0^ Г = -0,99
2п = 714,1141 — 498•ЫР — — 238,6 2п = 106,1- 4-51,842 — — 32,3
Си = 0,92-141+ 5,09, Г = 0,69 Си = 29,7- 141 - 13ЫР — — 12,2
РЬ = 1,46141 - 0,64ЫР + + 1,67 РЬ = 12,6 4 - 5,5ЫР — — 5,02
Си = 1,272п — 0,0242п2 — — 3,94 Си = 4,24-0,093 2п, Г = -0,86
РЬ = 0,082 2п - 1,13, Г = 0,96 РЬ = 2,5-0,0862п, Г = -0,98
РЬ = 69,4-Си — 5,99-Си2 — — 197,9 РЬ = 0,597- Си -0,53, г = 0,97
Таблица 5 Взаимодействие микроэлементов в рапсе при внесении Cd, Ni, Zn в почву
Уравнение корреляции, регрессии г, П
Антропогенное поступление кадмия
2п = -479,7642 + 4584,64 — 10858 П = 0,99
Си =-1,89ЫР+ 21,29141 — 54,1 П = 0,99
РЬ = 1,184 — 1,24 г = 0,98
Си = -0,0082п2 + 0,822п — 15,7 П = 0,99
РЬ = 0,0012п2— 0,0512п + 4,37 П = 0,89
РЬ = 0,75Си+1,55 г = 0,89
Антропогенное поступление никеля
2п = -1167,6С^+ 16212п — 517,54 П = 0,99
Си = -322,22С^+ 442,78Cd — 146,02 П =0,99
РЬ = -168,13Cd2+ 234,43Cd — 75,947 П = 0,99
Си = 0,262п — 5,35 г = 0,99
РЬ = 0,142п — 0,78 г = 0,99
РЬ = 0,63Си + 2,06 г = 0,94
Антропогенное поступление цинка
4 = -487,17Cd2+ 518,73Cd — 132,34 П = 0,89
Си = -518,7Cd2+ 536,3^ — 132,74 П = 0,99
РЬ = -1247,6Cd2+ 1278,5Cd — 319,92 П = 0,99
Си = 1,094 — 1,07 г = 0,81
Установлено, что при оптимальном соотношении элементов в растении эффект их взаимодействия возрастает в положительном направлении. Наблюдается явление синергизма. При дальнейшем переходе содержания элемента через оптималь-
Культура Коэффициент интенсивности действия
Cd 4 2п
Корнеплоды
Столовая свекла 0,0067 0,12 0,13
Столовая морковь 0,0019 0,03 0,079
Надземная масса
Рапс яровой 0,027 0,06 0,34
ный уровень до высоких дозировок эффект взаимодействия элементов в растениях изменяется, принимая часто противоположные направления. Наблюдается явление антагонизма между ионами [5, 6].
Заключение
Полученные в результате многолетних исследований математические закономерности взаимоотношений микроэлементов при поступлении их в растения позволят нормировать и прогнозировать элементный состав овощных и кормовых культур и, как следствие, их продуктивность и качество в условиях антропогенного поступления С^ 7п.
Библиографический список
1. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва — растение / В.Б. Ильин. — Новосибирск: Наука, 1991. — 149 с.
2. Каббата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Каббата-Пендиас, Х. Пендиас. — М.: Мир, 1989. — 440 с.
3. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю.В. Алексеев. — М.: Агропромиздат, 1987. — 142 с.
4. Ермохин Ю.И. Агроэкологическая оценка действия кадмии, никеля и цинка в системе почва — растение — животное / Ю.И. Ермохин, А.В. Синдирева, Н.К. Трубина. — Омск: ОмГАУ, 2002. — 117 с.
5. Ермохин Ю.И. Антагонизм и синергизм ионов при поступлении их в растения козлятника восточного / Ю.И. Ермохин // Экологическое состояние почв и растений Западной Сибири и проблемы их качества: сб. науч. тр. — Омск: ОмГАУ, 1997. — С. 6-13.
6. Ермохин Ю.И. Концепция единства почвы и растения при разработке системы применения удобрений / Ю.И. Ермохин // Комплексная диагностика потребности сельскохозяйственных культур в удобрениях: сб. науч. тр. — Омск: ОмСХИ, 1989. — С. 17-23.
+ + +
