The influence of different systems of fertilizer on the microelement’s composition of soil and grain of winter wheat in Primorsky Krai

Full Text

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.

About the authors

Irina Sergeevna Fadyakina

Author for correspondence.
Email: fady-irina@yandex.ru

engineer-chemist of Agrochemical Analyses Laboratory

References

Supplementary files