Влияние последействия различных систем удобрений на микроэлементный состав почвы и зерна озимой пшеницы в условиях Приморского края

Полный текст

Введение

Применение различных удобрений не только изменяет агрохимическое состояние почвы, их относят к одниму из наиболее распространенных видов загрязнения микроэлементами, которые способны накапливаться в почве, растениях, далее в продуктах питания человека, отрицательно влияя на его жизнедеятельность. Поступление микроэлементов из почвы в растение – наиболее важная проблема в экологии. Постоянно увеличивается количество исследований, направленных на понимание процессов, включающих поглощение растениями данных элементов [1, с. 63]. Наибольший интерес представляют данные, связанные по выявлению микроэлементов, поглощение которых регулируется зерном озимой пшеницы.

Цель исследования: выявление взаимосвязи между содержанием микроэлементов в почве и способностью зерна к их аккумуляции. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить задачи: определить содержание валовых и подвижных форм микроэлементов в почве, а также в зерне озимой пшеницы.

Объекты исследования

Почва стационарного опыта относится к лугово-бурому отбеленному типу, занимающему 38% площади пашни Приморского края [2, с. 30]. Озимая пшеница сорта Московская 39 – современный морозоустойчивый сорт озимой мягкой пшеницы, занесенный в «Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию» в Дальневосточном регионе [3].

Материалы и методы исследований

Полевые опыты проведены в 2011–2013 гг. в севообороте агрохимического стационара ФГБНУ «ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки», заложенном в 1941 году на лугово-бурой отбеленной почве в 9-польном севообороте, включающем 9 вариантов сочетания удобрений, которые вносили ежегодно до 2003 года. Наши исследования были проведены с использованием 5 вариантов последействия удобрений (табл. 1). Так, различия между вариантами опыта сложились по таким агрохимическим показателям, как подвижный фосфор, обменный калий, легкогидролизуемый азот и pH солевой вытяжки (табл. 2).

Таблица 1 – Схема внесения удобрений по вариантам опыта в агрохимическом стационаре

Таблица 2 – Агрохимические показатели почвы опытного участка в зависимости от последействия разных систем удобрений (среднее за 2011–2013 гг.)

Примечание. $\tilde{\mathrm{\chi }}$– среднее содержание, $\tilde{\mathrm{\chi }}$∆ – стандартное отклонение (n=9).

Отбор проб почвы проводился по ГОСТ 28168–89. Отобранные объединенные пробы перед закладкой опыта составлялись из 25 точечных проб, равномерно распределенных на каждой делянке. Агрохимические анализы почвы выполнены следующими методами: отбор проб почв по ГОСТ 28168–89; гумус – по Тюрину в модификации ЦИНАО; легкогидролизуемый азот – по Тюрину и Кононовой (Агрохимические методы исследования почв, 1975); подвижные фосфор и калий – по Кирсанову (ГОСТ 54650–2011); рН – потенциометрически (ГОСТ 26483–85). Отбор растительных проб – по методике Государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур (1989) [4]. Атомно-абсорбционное определение микроэлементов в почве выполнены согласно методическим указаниям по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства [5]. Атомно-абсорбционный метод определения микроэлементов в зерне – по ГОСТ 30178–96. Результаты экспериментов обрабатывались статистически [6]. Содержание валовых (Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, Co) и подвижных форм (Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, Co) микроэлементов определяли на атомном адсорбционном спектрофотометре Shimadzu AA-6200.

Результаты исследований и их обсуждение

Систематическое применение удобрений изменяют агрохимические и экологические свойства почвы. В литературе широко освещены факторы, способствующие аккумуляции данных микроэлементов в почвах [7, с. 94; 8, с. 7, 12–13; 9, с. 44; 10, с. 144; 11, с. 62]. Многими исследователями доказано, что систематическое применение различных удобрений не изменяет заметным образом природных уровней их в почве [12, с. 102; 13, с. 111; 14, с. 162; 15, с. 122; 16, с. 16].

Согласно результатам наших исследований, длительное внесение разных систем удобрений несколько повлияло на содержание ряда валовых и подвижных форм микроэлементов в исследуемой почве (табл. 3).

Среди анализируемых элементов в количественном составе валовых форм преобладает цинк с колебаниями по вариантам опыта от 24,86 до 27,16 мг/кг. Количество валового свинца – от 16,91 до 18,02 мг/кг, медь – от 15,70 до 16,96, никеля – от 11,9 до 12,48, кобальта – от 9,68 до 10,03 и кадмия – от 0,08 до 0,10.

Содержание валовых форм микроэлементов в почве характеризует лишь их общие запасы, не отражая степень доступности микроэлементов для растений. Об этом можно судить по данным определения их подвижных форм [17, с. 77]. Результаты наших исследований показали, что при последействии различных удобрений наблюдается увеличение содержания подвижного цинка, никеля, кобальта, свинца и кадмия в лугово-бурой отбеленной почве, с максимальными значениями на варианте с известково-органоминеральной системой удобрений.

Ответная реакция растений на микроэлементный состав почвы следует рассматривать в системе «почва–растение» [1, с. 17], причем оценку провести можно по-разному в зависимости от того, какие органы растений представляют хозяйственную ценность [18, с. 64].

Таблица 3 – Изменение валовых и подвижных форм микроэлементов в почве (среднее за 2011–2014 гг.)

Примечания. В числителе – валовые формы, в знаменателе – подвижные. ¹$\tilde{\mathrm{\chi }}$ – среднее содержание, ∆ – стандартное отклонение (n=9). ² Наименьшая существенная разница при Р=0,05. ³ Несущественная разница при Р=0,05.

В нашем случае мы провели наблюдения за накоплением микроэлементов зерном озимой пшеницы в зависимости от содержания подвижных форм микроэлементов в почве, обусловленное последействием различных систем удобрений (табл. 4).

Результаты приведенных исследований показали значительное варьирование содержания микроэлементов в зерне озимой пшеницы по вариантам опыта, кроме цинка и кобальта. Установлено, что содержание меди в зерне находилось в среднем от 3,92 до 4,54 мг/кг абсолютно сухого вещества. Так, максимальное содержание этого элемента было на контроле, без внесения каких-либо удобрений, и варианте 2, с последействием органической системы удобрений (4,44 и 4,54 мг/кг соответственно). Минимальное значение отмечено на варианте с известково-органоминеральной системой удобрений (3,92 мг/кг), что в среднем на 14% меньше контрольного варианта, а на фоне известково-органической и минеральной систем удобрений содержание меди изменялось от 4,23 до 4,44 мг/кг, это меньше контроля на 6–7%.

Таблица 4 – Содержание микроэлементов в зерне озимой пшеницы в зависимости от последействия различных систем удобрений (среднее за 2011–2014 гг.)

Примечания. ¹$\tilde{\mathrm{\chi }}$ – среднее содержание, ∆$\tilde{\mathrm{\chi }}$ – стандартное отклонение (n=9). ² Наименьшая существенная разница при Р=0,05. ³ Несущественная разница при Р=0,05.

Содержание никеля в зерне озимой пшеницы достигает наибольшего среднего значения (0,78 мг/кг) на контроле. Причем на фонах последействия органической, минеральной и известково-органоминеральной систем удобрений содержание никеля в зерне не изменялось относительно контрольного варианта. И только на варианте 3, где применялась известково-органическая система удобрений, достоверно уменьшалось содержание никеля в зерне (в среднем на 12,8%) по сравнению с контрольным вариантом.

Накопление свинца в зерне в среднем изменялось от 33,17 × 10⁻² до 38,17 × 10⁻² мг/кг. Так, применение органических и минеральных систем удобрений не влияли, по отношению к контролю, на содержание свинца в зерне. Тогда как последействие известково-органической и известково-органоминеральной систем удобрений привело к уменьшению концентрации свинца в зерне озимой пшеницы (в среднем на 8–13%), причем на фоне с известково-органоминеральной системы удобрений этот показатель имел минимальное значение (33,17 × 10⁻² мг/кг).

Содержание кадмия в зерне озимой пшеницы изменялась от 2,01 × 10⁻² до 2,74 × 10⁻² мг/кг, причем на контроле и варианте с последействием минеральной системы удобрений концентрация этого элемента в зерне находилась на одном уровне. Существенное влияние на уменьшение кадмия в зерне оказывало последействие органической (на 10%), известково-органической (на 18%) и известково-органоминеральной систем удобрений (на 24%) по отношению к контролю.

Известно, что на аккумуляцию микроэлементов в растениях влияет, прежде всего, их содержание в почве [1, с. 63; 17, с. 77]. Для выявления тесноты связи содержания микроэлементов в зерне озимой пшеницы с их подвижными формами в почвенной среде мы использовали корреляционный анализ (табл. 5). Следует отметить, что кобальт мы не рассматривали, по причине несущественных изменений его содержания в зерне по вариантам опыта, а медь – по причине несущественных изменений содержания ее подвижной формы в почве.

Таблица 5 – Коэффициенты корреляции между содержанием микроэлементов в зерне озимой пшеницы и их подвижных форм в лугово-бурой отбеленной почве

Таким образом, накопление свинца и кадмия в зерне находилось в средней обратной зависимости от их почвенной концентрации (R=–0,70, R=–0,53), при этом процесс поглощения никеля был выражен слабо (R=–0,30).

Данная зависимость, очевидно, связана с тем, что растения могут в определенной степени с помощью своих защитных механизмов ограничивать поступление нежелательных микроэлементов в репродуктивные органы [17, с. 78]. Здесь интересна работа В.Б. Ильина и М.Д. Степановой (1979 г.), в которой авторы предложили выразить через систему относительных показателей защитные возможности растений [18, с. 64–65] (табл. 6).

Таблица 6 – Движение микроэлементов в системе «почва–растение», оцениваемое системой показателей (среднее за 2011–2014 гг.)

Смысловое содержание предлагаемых показателей приведено ниже.

1. Показатель накопления элемента в изучаемой почве – дает представление о размере поступления элемента в почву. Оценивать на его основе ситуацию, складывающуюся в пищевой цепи, затруднительно.

${\mathrm{З}}^{\mathrm{п}}=\frac{\mathrm{Валовое} \mathrm{количество} \mathrm{элемента} \mathrm{в} \mathrm{изучаемой} \mathrm{почве}}{\mathrm{Валовое} \mathrm{количество} \mathrm{элемента} \mathrm{в} \mathrm{контрольной} \mathrm{почве} }$

2. Показатель активного загрязнения почвы – указывает на накопление в почве соединений элемента, которые могут поступать в пищевую цепь, позволяет делать предположения о степени возможного загрязнения пищевой цепи.

${{\mathrm{З}}^{\mathrm{п}}}_{\mathrm{а}}=\frac{\mathrm{Количество} \mathrm{подвижной} \mathrm{формы} \mathrm{элемента} \mathrm{в} \mathrm{изучаемой} \mathrm{почве}}{\mathrm{Количество} \mathrm{подвижной} \mathrm{формы} \mathrm{элемента} \mathrm{в} \mathrm{контрольной} \mathrm{почве}}$

3. Показатель внутритканевого загрязнения растений – дает представление об интенсивности вовлечения элементов в пищевую цепь.

${{\mathrm{З}}^{\mathrm{р}}}_{\mathrm{с}}=\frac{ \mathrm{Количество} \mathrm{элемента} \mathrm{в} \mathrm{семенах} \mathrm{изучаемых} \mathrm{растений}}{\mathrm{Количество} \mathrm{элемента} \mathrm{в} \mathrm{семенах} \mathrm{контрольных} \mathrm{растений}}$

4. Показатель защитных возможностей почвы (почвенный барьер).

${\mathrm{Б}}_{\mathrm{п}}=\frac{\mathrm{Показатель} \mathrm{активного} \mathrm{загрязнения}}{\mathrm{Показатель} \mathrm{накопления}}$

5. Показатель способности системы «почва-растение» противостоять загрязнению пищевой цепи (барьер системы).

${\mathrm{Б}}^{\mathrm{п}+\mathrm{р}}=\frac{\mathrm{Показатель} \mathrm{активного} \mathrm{загрязнения} \mathrm{почвы}}{\mathrm{Показатель} \mathrm{внутритканевого} \mathrm{загрязнения}}$

Установлено, что способность почвы препятствовать накоплению в ней подвижных форм никеля, свинца, кадмия, цинка, меди и кобальта (барьер почвы – Б^п) изменяется незначительно по вариантам опыта (V < 10%). Показатель способности системы «почва–растение» противостоять загрязнению пищевой цепи (барьер системы – Б^п⁺^р) для никеля, меди и кобальта также изменяется незначительно, тогда как для свинца, кадмия и цинка барьер системы находится в средней степени рассеивания данных по вариантам опыта (V=12,65%, 13,25% и 12,68% соответственно) с наибольшим значением на варианте с последействием известково-органоминеральных удобрений.

Для оценки уровня загрязнения зерна микроэлементами оперируют такими понятиями, как предельно-допустимый уровень (ПДУ) вещества в них. В настоящее время на территории Российской Федерации действуют технический регламент Таможенного союза «О безопасности зерна» [18]. Из регламентируемых там показателей мы рассматривали свинец и кадмий. Данный регламент распространяется как на пищевые, так и на кормовые цели, поэтому ПДУ свинца и кадмия представлены в виде двух показателей – 0,5 мг/кг и 0,1 мг/кг (на пищевые цели) соответственно и 5,0 мг/кг и 0,5 мг/кг (на кормовые цели) соответственно. Причем концентрация свинца и кадмия в зерне озимой пшеницы не превышала установленных ПДУ на пищевые и кормовые цели.

Вывод

При последействии (более 10 лет) минеральных, органических и известковых удобрений наблюдается увеличение содержания валовых и подвижных форм микроэлементов (Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, Co) в почве. Для получения информации о степени загрязнения звена пищевой цепи «почва–растение» использовали систему относительных показателей, с помощью которой установлено, что способность почвы препятствовать накоплению подвижных форм микроэлементов в ней по вариантам опыта одинаковая, что создает предпосылку для того, что растительному организму придется приложить больше усилий, чтобы защитить зерно от вторжения нежелательных микроэлементов, установленных в процессе исследования – свинца, кадмия и цинка. Следует отметить, что содержание свинца и кадмия в зерне озимой пшеницы не превышало установленных ПДУ на пищевые и кормовые цели.

Об авторах

Ирина Сергеевна Фадякина

Автор, ответственный за переписку.
Email: fady-irina@yandex.ru

инженер-химик лаборатории агрохимических анализов

Список литературы

Дополнительные файлы