Экологические особенности влияния малых доз хелатов металлов на биологические показатели ячменя и фитоэкстракцию ксенобиотиков
На правах рукописи
САПРЫКИНА ТАТЬЯНА ВИТАЛЬЕВНА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ МАЛЫХ ДОЗ ХЕЛАТОВ МЕТАЛЛОВ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЯЧМЕНЯ И ФИТОЭКСТРАКЦИЮ КСЕНОБИОТИКОВ 03.02.08 – экология (биология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Владимир 2012 1
Работа выполнена на кафедре ботаники естественно-географического факультета Курского Государственного Университета Научный руководитель Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Проценко Елена Петровна
Официальные оппоненты:
Доктор биологических наук, профессор, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), аэрокосмический факультет, профессор каф.610 Надежкина Елена Валентиновна Доктор сельскохозяйственных наук, Курская Государственная Сельскохозяйственная Академия, Глебова Илона Вячеславовна, профессор
Ведущая организация: Курский НИИ агропромышленного производства
Защита состоится «24» мая 2012 года в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ. 212.025.07 во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, аудитория 335).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87.
Автореферат разослан «_» 2012 года
Ученый секретарь диссертационного Н.В.Мищенко совета, кандидат биологических наук, доцент 1.
Общая характеристика работы
Актуальность. В научной литературе описаны значительные эффекты от применения очень слабых концентраций хелатов микроэлементов (Цой, 2007;
Митрохина, 2008), эффект от которых сопоставим с действием макроудобрений на продуктивность культур. В настоящее время при выращивании пивоваренного ячменя по интенсивным технологиям на практике начали применяться некорневые подкормки удобрениями с микроэлементами, что связано с появлением на рынке агрохимикатов широко доступных удобрений в растворимых формах. По имеющимся в научной литературе данным такие подкормки могут быть высокоэффективными: при малых дозах применения (1-3 кг/га в физической массе) они оказывают достоверное положительное действие, вызывая повышение урожайности сельскохозяйственных культур, в частности озимой пшеницы и сахарной свеклы (Гуреев и др., 2005;
Митрохина, Проценко, 2009). Однако, экологические аспекты применения металлов изучены не в полной мере. В ряде случаев применение металлов в качестве удобрений вообще бывает не обоснованным. Так, исследования последних лет показали, что в некоторых регионах РФ наблюдалось превышение ПДК в почвах и сельскохозяйственных культурах таких элементов как медь, цинк, молибден и др. (Прохорова, Матвеев, 2006), превышение ПДК ТМ в зерне озимой пшеницы (Бриндукова, 2010). Изменение биоморфологических показателей растений ячменя под действием тех или других микроэлементов при применении их в малых дозах в настоящее время практически не изучено. Под действием синергетических и антагонистических свойств отдельных элементов (Глебова, 2010) обработка хелатами металлов может изменять показатели фитоэкстракции ячменя по отношению к некоторым металлам, в том числе, ксенобиотикам. Поэтому вопрос изучения экологической целесообразности применения того или иного элемента для увеличения продуктивности культур является в настоящее время весьма важным. Одним из способов изучения необходимости и возможности применения микроэлементов является оценка потребности в них растений по фотохимической активности хлоропластов.
Научная новизна. Впервые в ЦЧЗ изучено воздействие отдельных металлов в хелатированных формах и их сочетаний на продуктивность и биоморфологические показатели ячменя интродуцированного сорта «Скарлет», показатели его качества и фитоэкстракцию по отношению к тяжелым металлам.
Целью работы является изучение влияния некорневого применения некоторых химических элементов, в том числе хелатов металлов, на биоморфологические показатели ячменя, его продуктивность и качество зерна, а также особенности выноса биомассой ячменем некоторых ксенобиотиков.
Для реализации цели были поставлены следующие основные задачи:
Изучить действие хелатов металлов на рост растений ячменя, длину и количество междоузлий растений, длину, ширину, озерненность колоса.
Выявить действие хелатов металлов на особенности роста листовой пластины ячменя сорта «Скарлет» и коэффициент продуктивности фотосинтеза.
Изучить изменение показателей урожайности и качества зерна ячменя: крупности, выравненности, энергии и способности прорастания, а также показателей биомассы в зависимости от действия хелатов металлов: железа, марганца, цинка, меди на серых лесных и черноземных почвах.
Изучить действие обработок хелатами металлов на фитоэкстракцию культурой ячменя тяжелых металлов.
Изучить потребность растений ячменя в элементах питания методом экспресс-диагностики с помощью полевой переносной лаборатории «Аквадонис» на основе фотохимической активности хлоропластов.
Установить влияние экологических факторов на фотохимическую активность хлоропластов ячменя на черноземной и серой лесной почве.
Практическая значимость работы заключается в том, что совершенствование приемов некорневой обработки ячменя сорта «Скарлет» с учетом его биологических особенностей и внедрение методов экспресс диагностики могут обеспечить получение высоких и гарантированных урожаев пивоваренного ячменя в Курской области.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Е.П. Проценко за постоянное внимание к работе, ценные советы и рекомендации на всех этапах исследований. Особую благодарность автор выражает заведующей кафедрой ботаники Овсянниковой Елене Николаевне за ценные научные консультации, а также Сидорову Владимиру Ивановичу – директору СПК «Русь» - за предоставленную возможность для реализации практической части работы. Автор также благодарен всем сотрудникам кафедры ботаники КГУ, оказавшим помощь в работе.
Апробация работы.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научных исследований кафедры ботаники Курского государственного университета, ее результаты включены в научные отчеты кафедры. Результаты исследования были доложены ею на научных конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Инновации, землеустройство и ресурсосберегающие технологии в земледелии» (Курск: ВНИИЗиЗПЭ, 2007);
на научно-практических конференциях Курского отделения Межрегиональной общественной организации «Общество почвоведов им. В.
В. Докучаева» (Курск, 2007, 2008);
на международной научно-технической конференции в Курском государственном техническом университете «Медико-экологические информационные технологии-2007».;
на Международной научной конференции Российской академии сельскохозяйственных наук «Агрохимические технологии, приемы и способы увеличения объемов производства высококачественной сельскохозяйственной продукции» (Москва, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на страницах компьютерного текста, включает 33 таблицы и 20 рисунков.
Состоит из введения, 6 глав, выводов и предложений производству.
Библиографический список включает 112 наименований, в том числе наименований зарубежных авторов.
2. Содержание и основные результаты работы Глава 1. Изменения биологических показателей пивоваренного ячменя под действием химических элементов (обзор литературы) В первой главе диссертации на основании анализа литературных источников дается обоснование выбранного направления работы.
Приводятся материалы по потребности растений ячменя в макро- и микроэлементах, их функциях и физиологической роли. Подчеркивается значимость изучаемых микроэлементов. Показано влияние микроэлементов на биологию ячменя, описаны биологическая характеристика ячменя, его признаки, требования, предъявляемые к пивоваренному ячменю, предшественники, фазы развития культуры и изменение потребности в элементах питания в период вегетации ячменя данного сорта, показана реакция растений на дефицит отдельных элементов питания в почвах.
Глава 2. Объекты, методы и условия проведения исследований.
Схема и методика проведения опытов Основные исследования проводились в СПК «Русь» Советского района Курской области и на базе Агробиостанции Курского государственного университета. Культура интродуцированного ячменя сорта «Скарлетт» возделывалась на типичных черноземах и серых лесных почвах. Растения обрабатывались слабыми растворами микроэлементов (хелатов металлов) на стадии кущения ячменя. Для сравнения эффективности действия металлов проводилась обработка комплексным минеральным удобрением «Акварин-4», молибдатом аммония и борной кислотой. Исследования проводились в нескольких направлениях: исследовались биоморфологические показатели ячменя: высота растения, длина междоузлий, их количество, длина, ширина и озерненность колоса, масса растений в снопах, и масса зерна после обмолота. Изучалось влияние микроэлементной обработки на содержание хлорофилла в листьях растений ячменя, на качество зерна растений ячменя, а именно на такие показатели как способность и энергия прорастания растений ячменя, масса 1000 зерен, натура, крупность и выравненность. Проводились исследования по изучению микроэлементного состава растений как количественно (на атомно-абсорбционном спектрофотометре), так и на качественном уровне экспресс-методом с помощью переносной полевой лаборатории «Аквадонис».
Для выполнения поставленных задач были заложены следующие полевые опыты.
Опыт 1. Влияние некорневой обработки микроэлементами на фотосинтетическую активность, биоморфологические показатели и качество зерна ячменя сорта «Скарлетт».
Опыт закладывался в 2007-2009 гг на базе СПК «Русь» Советского района Курской области. Способ закладки – мелкоделяночный, площадь делянки 20 м2. Почвы - чернозем типичный. Посевы ячменя обрабатывались хелатами микроэлементов некорневым способом в фазы кущения и трубкования. Опыт включал 8 вариантов и проводился в трехкратной повторности по схеме. Содержание микроэлементов представлено в схеме в действующем веществе на гектар, в скобках, % водного раствора действующего вещества.
1. Контроль - N30P30K30 под основную обработку. (Фон) 2. Фон + Zn0,4 (1,3. 10-4 %) 3. Фон + Fe1,62 (5,1. 10-4 %) 4. Фон + Mn1,26 (3,8. 10-4 %) 5. Фон + Cu0,3(1. 10-4 %) 6. Фон + B0,6 (2. 10-4 %) 7. Фон + Mo0,12 (4. 10-5 %) 8. Фон + Акварин-4 – 3,0 кг/га (1% раствор) Количество отдельных микроэлементов при некорневом применении соответствовало их концентрациям при внесении 3 кг/га Акварина- некорневым способом, растворенного в 300 л раствора, то есть 1% раствору Акварина-4. Содержание элементов питания в удобрениях Акварин-4 в %:
Макроэлементы: N-NО3 - 4,5 %, N-NН4 - 1,5 %, всего N – 6 %, Р2О5 – 12,0 %, К2О – 33,0 MgО - 3%, S – 7,0 %;
Микроэлементы: Fe (ДТПА) – 0,054 %, Zn (ЭДТА) – 0,014 %, Cu (ЭДТА) – 0,01 %, Mn (ЭДТА) – 0,042 %, Mo – 0,004 %, B – 0,02 %.
Опыт 2. Изучение влияния микроэлементов на биоморфологические и некоторые биологические показатели растений ячменя сорта «Скарлет».
Опыт закладывался в 2008 - 2009 годах на Агробиостанции Курского государственного университета г. Курска на серых лесных почвах. Способ закладки – мелкоделяночный, площадь делянки 4 м2. Опыт включал в себя 11 вариантов, проводился в трехкратной повторности. В условиях полевого опыта изучалось влияние различных микроэлементов и их доз – основных (как в опыте 1) и при десятикратном увеличении дозы микроэлементов на биоморфологические показатели растений ячменя. Применялась функциональная диагностика с помощью прибора «Аквадонис» в период вегетации растений.
Схема и основные дозы внесения микроэлементов.
Основные: При десятикратном увеличении:
1. Контроль - N30P30K30 под 1. Контроль - N30P30K30 под основную обработку. (Фон) основную обработку. (Фон) 2. (Фон) + B 0,6 2. (Фон) + B 6, 3. (Фон) + Zn 0,4 3. (Фон) + Zn 4, 4. (Фон) + Fe 1,62 4. (Фон) + Fe 16, 5. (Фон) + Mn 1,26 5. (Фон) + Mn 12, 6. (Фон) + Cu0,3 6. (Фон) + Cu 3, Опыт 3. Изучение качества зерна ячменя сорта «Скарлет» в зависимости от некорневого применения «Акварина-4».
Полевой опыт закладывался в 2008-2009 годах на Агробиостанции Курского государственного университета (Курский район) на серых лесных почвах. Опыт включал в себя 2 варианта: обработка Акварином и контроль (растения не прошедшие обработку). Было выделено два участка, на одном из которых в фазу весеннего кущения была проведена некорневая обработка акварином в дозе 1,5 кг/га. Второй участок акварином не обрабатывался.
Учт урожая проводился в 6-ти кратной повторности методом отбора снопов с площади 1 м2.
Агротехника опытов - общепринятая в зоне и области. При проведении полевых и лабораторных исследований использовались общепринятые методы, методики.
Для характеристики качества зерна ячменя применяли методы, предусмотренные ГОСТом - (Зерно. Методы анализа, 2001). Определялись следующие показатели качества зерна: масса 1000 зерен (ГОСТ 10842-89);
натура зерна (ГОСТ 10840-64);
микроэлементы в зерне (ГОСТ 30178-96), крупность, выравненность, энергия и способность прорастания.
Для агрохимической характеристики почвы из пахотного слоя отбирали средний образец почвы. В почвенных образцах определяли: гумус - по Тюрину (ГОСТ 26213-91);
азот щелочногидролизуемый - методом мокрого озоления по Корнфилду;
рН - в 1,0 н КС1 вытяжке (ГОСТ 26483-85);
гидролитическая кислотность - по Каппену (ГОСТ 26212-91);
сумма поглощенных оснований - по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821-88);
фосфор и калий подвижный - по Чирикову (ГОСТ 26204-91);
степень подвижности фосфора - по методу Скофилда;
(подвижная медь (ГОСТ Р 50683-94);
подвижный марганец (ГОСТ Р 50682-94);
подвижный цинк (ГОСТ Р 50686-94).
Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась на ПЭВМ с применением стандартных программ.
Погодно – климатические условия района исследований Погодные условия в период проведения исследований были в целом типичны для территории юго-западной части Центрально-Черноземного региона, а методика проведения опытов позволяет интерполировать полученные данные на всю территорию юго-западной части Центрального Черноземья. Из четырех лет наблюдений периоды вегетации яровых зерновых культур (апрель-июль) 2006 и 2007 годов характеризовались как умеренно засушливые, 2008 год – влагообеспеченным, а полевой сезон 2009 года – оптимальным.
Характеристика почв в районе исследований.
Исследования проводились на полях опытного хозяйства в СПК «Русь» Советского района Курской области, расположенном в 120 км на юго восток от г. Курска на черноземе типичном. Опытный участок с серыми лесными почвами находится в Курском р-не, в 3 км восточнее г. Курска.
Изучались свойства пахотных горизонтов чернозема типичного среднесуглинистого и серой лесной среднесуглинистой почвы, агрохимические свойства которых приведены в таблицах 1 и 2. Образцы отбирались ранней весной перед посевом ячменя. Как следует из таблиц, пахотный слой чернозема по сравнению с серой лесной почвой имеет более высокую обеспеченность основными макроэлементами (азотом щелочногидролизуемым по Корнфилду, подвижными фосфором и калием по Чирикову), имеют актуальную кислотность, близкую к нейтральной и невысокие значения гидролитической кислотности по сравнению с серыми лесными почвами (табл. 1).
Таблица 1. Основные агрохимические свойства почв.
Объекты (образцы почв, pHКCl Сумма Гумус, N щг.
Hr P2O5 K2O гор. А пах., обм. осн. % 0-20 см) мг-экв на 100 г почвы мг/кг почвы Чернозем 6,4 1,15 32,1 6,1 180 109 типичный (Советский р-н) Серая лесная 4,1 5,92 7,9 2,7 90 70 почва (Курский р-н) Почвенный покров пашни СПК «Русь» представлен в основном типичными черноземами с тяжелосуглинистым механическим составом.
Мощность гумусового горизонта составляет в среднем 65-75 см.
Содержание гумуса – 6,1 %. Пашня по содержанию элементов питания и степени кислотности распределяется следующим образом: по содержанию подвижных форм фосфора: высокообеспеченных почв – 1 % от площади. По содержанию обменного калия высокообеспеченных почв – 25 %. По степени кислотности почвы, близкие к нейтральным, составляют 35,4 %.
Средневзвешенное содержание подвижного фосфора в почве пашни составляет 109 мг, обменного калия - 87 мг на 1 кг почвы.
Обеспеченность микроэлементами изучаемых типов почв также отличается: в черноземе наблюдалось высокое содержание подвижных форм марганца, бора, молибдена, среднее содержание меди и низкое содержание цинка, в то время как серые лесные почвы слабо обеспечены всеми изучаемыми подвижными микроэлементами, содержание которых представлено в таблице 2.
Таблица 2. Содержание подвижных форм микроэлементов в пахотном слое изучаемых почв, мг/кг Mn Cu Zn Mo B Объекты (образцы почв, водораство ААБ 4,8 оксалатный буфер гор. А пах., римый 0-20 см) мг/кг почвы Чернозем 31,2 0,24 1,53 0,45 1, типичный Серая лесная 7,3 0,05 0,44 0,19 0, почва Содержание валовых форм основных микроэлементов не превышает предельно допустимых концентраций (таблица 3), находясь на уровне средних для зоны содержаний (Протасова, Щербаков, 2000).
Таблица 3. Содержание валовых форм микроэлементов в пахотном слое изучаемых почв, мг/кг Объекты (образцы почв) Сo Mn Cu Zn Mo B Чернозем типичный 501 13 33 10 235 Серая лесная 338 8 31 8 216 почва ПДК 1500 33 55 11* 2* *) фоновые значения по Н.А. Протасовой и М.Т. Копаевой (1995) Свойства почв опытных полей, на которых проводились наши исследования, представлены в таблице 4. Как следует из таблицы, свойства почв данных полей близки к средним по хозяйству и близки между собой.
Таблица 4. Агрохимическая характеристика почв опытного поля (пахотный слой) СПК «Русь» Год Пло- Грануломет- мг/кг Гумус, pH щадь, Тип почвы рический водный P2O5 K2O % га состав типичный тяжелосуг 2007 145 6,4 6,8 118 чернозем линистый типичный тяжелосуг 2008 120 5,8 6,6 105 чернозем линистый типичный тяжелосуг 2009 96 6,5 6,5 120 чернозем линистый Глава 3. Влияние обработок микроэлементами на биоморфологические показатели растений ячменя Изучение влияния некорневых обработок микроэлементами проводилось на двух типах почв: черноземах типичных в СПК «Русь Советского района Курской области (опыт 1) и серых лесных на Агробиостанции (опыт 2).
Эффективность применения некорневых обработок зависела от типа почв и температурного режима года. Анализируя полученные данные в опытах с некорневым применением микроэлементов на чернозмах типичных можно отметить следующее: наиболее отзывчивы растения ячменя были к применению хелатов железа – высота растений увеличилась на 12,5 см, длина колоса на 1,7 см, количество зрен в колосе – на 6 штук (рис. 1). Для Центрального Черноземья характерен дефицит усвояемых форм железа, особенно в засушливые периоды, когда весь, практически, фонд железа находится в окисленной форме.
Обработка борной кислотой также положительно повлияла на биоморфологические показатели, однако ее действие лучше проявилось в благоприятные погодные условия 2008 года. Длина колоса увеличилась на 0,9 см, озерненность - на 2 шт., средняя высота растения – на 6,8 см. В этом же году достоверным было увеличение высоты растений на варианте с обработкой хелатом цинка.
Изменение озерненности колоса 2007-2008гг, шт.
количес зерен тво 2007 год ко же ол же зо ци зо мо ме бде ма бо нт нк р ле ь л е 1 1% ли дь н рг р ан ец % 2007 год микроэлементы 2008 год Рисунок 1. Изменение озерненности колоса на черноземах, 2007- гг.
Изучение влияния некорневых подкормок микроэлементами на биоморфологические показатели на серых лесных почвах показало, что наибольшее действие оказала обработка борной кислотой и хелатом железа – высота растений увеличилась на 10,5- 11,4 см, длина колоса и его озерненность достоверно не отличалась от контрольных вариантов.
Изменение средней высоты растений ячменя на серых лесных почвах, 2008-2009гг.
бор микроэлементы марганец медь железо цинк 0 20 40 60 80 контоль Средняя высота растений, см Рисунок 2. Изменение средней высоты растений ячменя на серых лесных почвах 2008 - 2009гг Глава 4. Влияние некорневой обработки микроэлементами на фотосинтетическую активность растений ячменя.
Об уровне фотосинтетической деятельности растений ячменя можно судить по площади листовой поверхности, величине фотосинтетического потенциала и чистой продуктивности фотосинтеза.
Анализируя данные динамики накопления сухого вещества растениями ячменя, следует отметить следующую закономерность: чем большую листовую поверхность формируют растения, тем больше они накапливают сухой массы, так как фотосинтетический аппарат работает на создание сухого вещества (Таблица 5).
Таблица 5. Динамика накопления сухого вещества растениями ячменя на черноземах типичных, среднее за 2007-2009 гг.
Сухая масса 25 растений, г Вариант кущение Выход в трубку колошение Контроль 4,5 7,5 10, Медь 6,2 12,4 16, Марганец 3,8 6,3 9, Бор 4,2 5,4 Цинк 4,5 8,2 10, Железо 5,0 10,3 18, Как видно из таблицы 5, обработка солями меди и железа особенно заметно увеличила сухую массу по сравнению с необработанными растениями контрольного варианта, в то время как некорневая обработка марганцем и цинком не показала существенного увеличения накопления сухой массы вещества. В фазе кущение-выход в трубку коэффициент корреляции сухой массы растений и чистой продуктивности фотосинтеза составляет 0,66, в фазе выход в трубку-колошение связь менее тесная (R = 032).
Важным показателем также является «чистая продуктивность фотосинтеза» (Бегишев, 1953). Данный показатель определялся дважды за вегетационный период: в межфазный период кущение - выход в трубку и выход в трубку – колошение (Таблица 6).
Таблица 6. Влияние некорневой обработки микроэлементами на чистую продуктивность фотосинтеза ячменя, 2008 - 2009 гг.
Чистая продуктивность фотосинтеза, г/м 2*сутки Вариант Кущение – выход Выход в трубку среднее в трубку колошение Контроль 8,45 5,72 7, Медь 8,84 5,92 7, Марганец 8,49 5,83 7, Бор 8,57 5,98 7, Цинк 8,82 5,86 7, Железо 8,92 6,05 7, НСР05 0,23 0,18 0, В среднем за годы исследований более высокий показатель «чистая продуктивность фотосинтеза» в период кущение – выход в трубку отмечен на вариантах опыта, прошедших некорневую обработку хелатами железа (8,92 г/м 2*сутки), меди (8,84 г/м 2*сутки) и цинка (8,82 г/м 2*сутки) по сравнению с растениями, не прошедшими обработку (контроль 8,45 г/м *сутки). Таким образом, обработка растворами железа, цинка и меди достоверно влияет на чистую продуктивность фотосинтеза.
Как известно, более полную характеристику деятельности ассимиляционной поверхности листьев дает фотосинтетический потенциал посевов. Расчеты величины фотосинтетического потенциала посевов ячменя показали, что обработка микроэлементами способствовала его увеличению, а, следовательно, увеличивала продолжительность периода работы ассимиляционного аппарата (таблица 7.), причем наиболее заметно увеличили площадь листовой поверхности растения, прошедшие некорневую обработку хелатом железа.
Таблица 7. Изменение фотосинтетического потенциала посевов ячменя, в зависимости от некорневого применения микроэлементов.
Фотосинтетический потенциал посевов ячменя, тыс. м2/дн.
Колошение – Кущение – Кущение – Выход в Вариант молочно- молочно выход в трубку восковая восковая трубку колошение спелость спелость Контроль 128,1 483,1 490,6 929, Медь 200,6 756,2 768, 0 1455, Марганец 179,3 676,1 686,6 1300, Бор 195,6 737,5 748,8 1419, Цинк 144,4 544,6 553,0 1047, Железо 216,4 816,0 828,6 1570, НСР05 82,6 221,3 159,9 205, Глава 5. Влияние некорневой обработки растений ячменя микроэлементами на урожайность, показатели его качества и фитоэкстракцию тяжелых металлов За годы наших исследований наблюдалось формирование разного по величине урожая зерна ячменя (таблица 8). Надо отметить, что реакция этой культуры на обработку микроэлементами по годам была различной, зависела от типа почвы, но основные закономерности при этом оставались неизменными и прослеживались во все годы исследований. Средняя урожайность культуры растений, не прошедших некорневую обработку микроэлементами, с 2007 г по 2009 г колебалась от 2,7 до 3,4 т/га, в среднем составляя 3,0 т/га. При некорневой обработке хелатами металлов урожайность была достоверно выше, прослеживалось также положительное воздействие водорастворимого удобрения «Акварин», установлена достоверная связь между биоморфологическими показателями и урожайностью культуры. Наиболее заметные отличия в показателях урожайности наблюдались для растений ячменя, прошедших обработку хелатами цинка и меди (таблица 8).
Таблица 8. Изменение урожайности зерна ячменя на черноземах типичных в СПК «Русь», т/га за 2007-2009 гг. под влиянием микроэлементов при некорневом их применении.
Вариант Среднее 2007 2008 Контроль 2,8 3,4 2,7 3, B(Н3ВО3) 3,1 3,6 3,1 3, Mo (соль) 3,0 4,0 3,4 3, Mn (хелат) 3,0 3,1 2,9 3, Акварин 3,0 3,7 3,8 3, Fe11% 3,7 4,5 3,9 4, (ДТПА) Fe13% 3,5 4,3 3,9 3, (ЭДТА) Cu 4,1 4,5 3,8 4, Zn 4,2 4,6 4,2 4, НСР05 0,2 0,5 0,3 0, Так, в 2007 г разница по урожайности между обработанными и необработанными растениями составила 1,2 – 1,4 т/га, а в 2009 г – 1,5 т/га при обработке солями цинка и 1,1 т/га для растений, прошедших обработку хелатом меди. В данном случае прослеживалась тесная корреляционная связь между фотосинтетической активностью и урожайностью культуры (R=0,76). При обработке хелатами железа, меди и цинка средняя за 3 года прибавка урожая ячменя колебалась в пределах 1,1-1,2 т/га. При обработке солями марганца, независимо от года, метеорологических и климатических условий, показатели урожайности ячменя практически не отличались от контроля. Необходимо отметить, что растения ячменя, прошедшие обработку хелатами меди и цинка (таблица 9) значительно увеличивали энергию прорастания (на 15-20% по сравнению с контрольным вариантом), что сопровождалось достоверным снижением высоты растений и увеличением урожая зерна.
Таблица 9. Изменение средней энергии прорастания, % в СПК «Русь» за 2007-2009 гг при некорневой обработке микроэлементами.
Вариант Среднее 2007 2008 Контроль 66 69 70 B 66 81 74 Mn 74 90 75 Fe13% 68 73 70 (ЭДТА) Cu 86 90 89 Zn 85 73 89 НСР05 11 10 13 При некорневом применении микроэлементов урожайность на серых лесных почвах была значительно ниже, чем на черноземах типичных (таблица 10).
Таблица 10. Изменение урожайности зерна ячменя на серых лесных почвах, т/га за 2008-2009 гг. под влиянием некорневых обработок микроэлементами.
Вариант Среднее 2008 Контроль 3,0 3,1 3, B(Н3ВО3) 2,9 3,1 3, Mo (соль) 2,7 3,5 3, Mn (ЭДТА) 3,0 3,2 3, Fe11% 3,5 3,5 3, (ДТПА) Fe 13% 3,3 3,4 3, (ЭДТА) Cu(ЭДТА) 3,2 3,4 3, Zn(ЭДТА) 3,3 3,3 3, НСР05 0,3 0,3 0, Общая тенденция влияния микроэлементов на продуктивность культуры ячменя на серых лесных почвах прослеживается гораздо слабей, чем на черноземах, урожайность на обработанных микроэлементами вариантах достоверно не отличалась от контроля, за исключением хелата железа.
Влияние некорневого применения микроэлементов на содержание тяжелых металлов в биомассе ячменя Применение различных форм микроэлементов в виде некорневого внесения может оказывать влияние на поступление элемента в растительную продукцию (Проценко, 2007), причем не только того элемента, раствором которого производилась обработка.
В условиях полевого опыта (опыт 1) были определены содержания микроэлементов и тяжелых металлов (ксенобиотиков) в биомассе ячменя в фазе полной спелости при некорневом опрыскивании, и рассчитана фитоэкстракция элементов сухой надземной биомассой ячменя (табл.11).
Как следует из таблицы, содержание элементов в целом было невысоким.
Однако, содержание марганца в растениях даже на контрольных вариантах значительно превышало ПДК для растительных кормов, что связано с высоким содержанием марганца в почвах, высокое среднее накопление марганца отмечалось также в условиях Самарской области, где в надземной биомассе ячменя накапливалось от 5 до 80 мг/кг марганца (Прохорова, Матвеев, 2006). Вероятно, именно с высоким накоплением связана низкая отзывчивость ячменя на обработку растений хелатом марганца.
Таблица 11. Фитоэкстракция микроэлементов и тяжелых металлов биомассой ячменя в фазе полной спелости при некорневом опрыскивании 3% растворами (Советский р-н, СПК «Русь», 2007-2009, среднее за 3 года) Микро- Фитоэкстракция элементов сухой надземной элемент биомассой ячменя, мг/кг (некорн. оп Cu Zn Mn Ni Pb* Cr рыскивание) Контроль 7,3 32,5 8,4 1,1 234 1, Медь 6,5 24,1 8,9 1,5 227 1, Цинк 4,5 36,2 9,8 1,6 189 1, Марганец 6,3 26,4 11,5 1,2 178 1, Железо 5,2 29,5 8,0 1,2 213 2, Акварин-4 5,2 26,5 8,0 1,5 345 2, ПДК для 30,0 50,0 0,1 3,0 5000 раститель ных кормов *)- содержание и ПДК для Pb в мкг/кг сухой массы Для уточнения особенностей поглощения тяжелых металлов растениями ячменя был проведен вегетационный мелкоделяночный опыт путем расщепления полевого опыта 1: на вариантах данного опыта вне учетных площадей были заложены площадки, площадью 2 м 2 в 3-х кратной повторности, концентрации растворов элементов были увеличены до 3%, некорневая обработка также производилась в фазе кущения. Через 2 недели после обработки отдельно отбиралась и анализировалась корневая и надземная биомасса растений, в которой определялось содержание тяжелых металлов.
Как следует из данных таблицы 12, некорневая обработка хелатами металлов может как снижать, так и повышать ремедиационную способность корней ячменя: при обработке хелатом цинка и акварином- содержание свинца в корнях ячменя увеличивается в 3-4-раза по сравнению с контрольным, а содержание железа при обработке хелатом железа и акварином-4 снижается в 1,5-2 раза по сравнению с контролем, что, вероятно, связано с отсутствием способности железа к реутилизации. При обработке хелатами железа и меди наблюдалось увеличение содержания данных металлов в надземной биомассе (того металла, которым обработали), при этом в корнях ячменя содержание элементов оставалось на уровне контроля или ниже. На содержание свинца в корнях ячменя обработка хелатами железа и меди также не оказала существенного влияния. Необходимо отметить, что при обработке комплексным микроудобрением Акварин-4 увеличивается содержание меди в корнях растений ячменя, при том, что на контроле соотношение в надземной биомассе и корнях близко 1:1 в то время как содержание цинка в корнях, наоборот, снижается по сравнению с контрольным.
Таблица 12. Влияние некорневого опрыскивания микроэлементами на накопление тяжелых металлов в зеленой массе и корнях ячменя в условиях вегетационного эксперимента, мг/кг сухой массы Вариант Часть растения Свинец * Железо Медь Цинк Контроль Корень 462 2916 70 Надземная часть 222 172 82 Акварин-4 Корень 1701 1561 237 Надземная часть 232 39 30 Хелат Корень 505 1400 60 железа Надземная часть 234 1204 62 Хелат Корень 245 2550 83 меди Надземная часть 148 120 102 Хелат Корень 1808 1200 78 цинка Надземная часть 248 45 75 *)- содержание Pb в мкг/кг сухой массы Глава 6. Функциональная диагностика.
Определение потребности растений в элементах питания с помощью анализа почв и растений.
Функциональная диагностика в настоящее время позволяет достаточно оперативно оценить взаимодействие всех элементов и дать рекомендации по изменению технологии выращивания растений. Некорневую обработку растений можно рассматривать как прим, повышающий при определнных условиях эффективность удобрений, внеснных в почву, и эффективность использования почвенного плодородия. При этом важным звеном цепи, связывающим некорневое и корневое питание, является фотосинтез.
Взаимосвязь между некорневым питанием и фотосинтезом может оказать влияние на растение двумя путями. С одной стороны, некорневые подкормки, повышая интенсивность фотосинтеза, могут обеспечивать интенсивный приток в корни энергетического материала. Это приводит к усилению дыхания, более быстрому росту корней, увеличению их поглощающей поверхности, что в свою очередь способствует усилению поглощения минеральных веществ. Широкое внедрение в практику некорневых подкормок диктует необходимость сделать их более экологичными и рациональными, что позволяет использование метода экспресс-диагностики.
Методы определения потребности растений в элементах питания на основе функциональной экспресс-диагностики разработаны А. С.
Плешковым и Б.А. Ягодиным (АС (II) 952168 А. С. Плешков, Ягодин Б. А., 23.08.1982 бюллетень № 31).
С помощью метода функциональной экспресс-диагностики нами определялась потребность растений ячменя в 14 элементах питания.
Целью данного исследования явилось изучение возможности широкого применения метода функциональной диагностики на практике, а именно использование метода для рационального применения некорневых обработок сельскохозяйственных культур по вегетации в полевых условиях.
Во время вегетации культур в полевых условиях складываются самые различные условия увлажненности почв, освещенности посевов и наблюдаются отличия в обеспеченности почв элементами питания. Поэтому была поставлена задача - изучить влияние экологических обработок различными микроэлементами на показатели изменения фотохимической активности, измеряемой с помощью прибора «Аквадонис», растений ячменя в условиях различного увлажнения, освещенности на различных почвах (чернозем и серая лесная почва). Использовались образцы пахотных горизонтов чернозема типичного среднесуглинистого и серой лесной среднесуглинистой почвы.
При оптимальном сочетании экологических факторов растения ячменя в лабораторном опыте на образцах серой лесной почвы проявляли потребность как в макроэлементах (азот, фосфор, калий), так и в микроэлементах, а на черноземе только в микроэлементах – меди, цинке, йоде.
В течение полевых сезонов 2008-2009 гг на базе производственного опыта НИИ АПП применялся метод функциональной диагностики.
Обработки производились однократно и двукратно. Так, однократная обработка солями бора и цинка дала незначительную прибавку урожая. При однократной обработке хелатом цинка урожай увеличился на 0,34 т/га, а при двукратной урожай увеличился на 1,53 т/га. При однократной обработке борной кислотой урожай увеличился незначительно – на 0, т/га, а при двукратной – на 1,53 т/га.
В начале вегетации ячменя до обработок микроэлементами были проведены исследования фотохимической активности хлоропластов ячменя на данном поле. Была выявлена высокая потребность растений в таких элементах как медь, молибден, бор, цинк и железо. Затем растения были опрысканы микроэлементами, и через неделю фотохимические исследования были повторены. Испытания показали, что после 1 обработки в фазе кущения дефицит железа, молибдена, меди для растений ячменя был снят, как следовало из показаний прибора «Аквадонис». Вторая обработка в фазу трубкования была проведена во всех вариантах, однако прибавки урожайности существенны были только для тех элементов, которые показали и второй раз недостаток для растений ячменя – цинк и бор, что подтверждается прибавками урожая после второй обработки.
Таким образом, методом экспресс-диагностики по фотохимической активности хлоропластов растений можно прогнозировать действие некорневого опрыскивания химическими элементами, что позволяет рационализировать применение микроудобрений с экологических позиций:
метод дает возможность не использовать микроэлементы в том случае, если это нецелесообразно, в частности использование метода показало нецелесообразность применения марганца, что подтвердилось данными биологической продуктивности ячменя. Особенно это важно при работе на полях с различными локальными загрязнениями, когда применение микроэлемента не только нецелесообразно экономически, но и недопустимо в экологическом отношении.
Выводы 1. Эффективность действия некорневых обработок малыми дозами хелатов металлов на биоморфологические показатели ячменя зависела от типа почв и содержания в них макро- и микроэлементов. На черноземах типичных – наиболее отзывчивы растения ячменя были к применению хелатов железа – высота растений увеличилась на 12,5 см, длина колоса на 1,7 см, количество зрен в колосе – на 6 штук, что связано с дефицитом усвояемых форм железа. Применение малых доз хелатов микроэлементов на серых лесных почвах достоверно не повлияло на биоморфологические показатели растений ячменя.
2. Обработка хелатами железа и меди достоверно увеличила сухую массу 25 растений ячменя на черноземных почвах: к фазе колошения она достигла соответственно 18,7 и 16,0 г при массе на контрольном варианте 10,6 г.
3. Фотосинтетический потенциал посевов ячменя на черноземных почвах, начиная от фазы кущения до молочно-восковой спелости наибольших значений достиг на вариантах, обработанных хелатом железа – 1570,3 тыс. м2/дн, хелатом меди – 1455,3 тыс. м2/дн, а также борной кислотой – 1419,3 тыс. м2/дн, при потенциале на контрольном варианте – 929,3 тыс. м2/дн.
4. Чистая продуктивность фотосинтеза ячменя на черноземах типичных в период кущение – выход в трубку на вариантах опыта, прошедших некорневую обработку хелатом железа составила 8,92 г/м 2*сутки, хелатом меди – 8,84 г/м 2*сутки и хелатом цинка – 8,82 г/м 2*сутки по сравнению с растениями, не прошедшими обработку (контроль–8,45 г/м 2*сутки). В фазе кущение-выход в трубку коэффициент корреляции сухой массы растений и чистой продуктивности фотосинтеза был наиболее высоким и составил 0,66.
5. По влиянию на продуктивность на чернозмах типичных наиболее отзывчивы растения ячменя были к применению хелатов таких металлов как: железо, медь и цинк, продуктивность культуры при этом увеличилась на 1,1-1,2 т/га по сравнению с контролем, и неотзывчивы на применение хелата марганца.
6. Исследования методом экспресс-диагностики по фотохимической активности хлоропластов выявили, что - при оптимальном сочетании экологических факторов растения ячменя на серой лесной почве проявляли потребность как в макроэлементах (азот, фосфор, калий), так и в микроэлементах, а на черноземе типичном только в микроэлементах – меди, цинке, йоде;
- при крайне низком увлажнении почвы (8-9%) растения ячменя проявляли потребность практически во всех изучаемых элементах, то есть применение данного метода диагностики в условиях засухи ограничено;
- при низкой освещенности растения ячменя при исследовании с помощью метода экспресс-диагностики показывали потребность во многих элементах: меди, кобальте, магнии, боре, цинке, марганце, железе, что не соответствовало действительности, то есть применение данного метода в условиях дефицита освещения нецелесообразно.
7. Установлено, что с помощью метода экспресс-диагностики по фотохимической активности хлоропластов целесообразно прогнозировать действие микроэлементов: при дефиците микроэлемента, выявленном данным методом, применение его некорневым способом целесообразно, что подтверждается биологическими показателями продуктивности ячменя.
8. Установлено, что некорневая обработка хелатами металлов может как снижать, так и повышать ремедиационную способность корней ячменя:
при обработке хелатом цинка и акварином-4 содержание свинца в корнях ячменя увеличивается в 3-4-раза по сравнению с контрольным, а содержание железа при обработке хелатом железа и акварином-4 снижается в 1,5-2 раза.
Предложения производству Для рационального применения некорневого опрыскивания хелатами металлов рекомендуем применять метод экспресс-диагностики по фотохимической активности хлоропластов растений, который позволяет прогнозировать действие некорневого опрыскивания химическими элементами, что дает возможность рационализировать применение микроудобрений с экологических позиций: не использовать микроэлементы в том случае, если это нецелесообразно, что особенно важно на загрязненных тяжелыми металлами почвах.
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Митрохина О.А., Сапрыкина Т.В., Проценко А.А.
Эффективность применения микроудобрений на черноземе типичном под озимую пшеницу // Достижения науки и техники АПК. – 2009.- № 2.
- С. 47-49.
2. Сапрыкина Т.В., Проценко Е. П., Караулова Л.Н. Влияние агрохимических свойств почвы, влажности и освещенности на потребность ячменя в элементах питания // Проблемы региональной экологии 2009.- №6. - С. 82-88.
3. Сапрыкина Т.В., Дериглазова Г.М., Клеева Н.А. Изменение фотохимической активности хлоропластов ячменя под действием экологических факторов.// Агрохимия. 2010. - № 6. - С. 59-64.
Статьи и тезисы в других изданиях:
4. Проценко Е.П., Проценко А.А., Сапрыкина Т.В, Митрохина О.А.
Новые подходы к применению комплексных удобрений с микроэлементами // Инновации, землеустройство и ресурсосберегающие технологии в земледелии. Сб. докладов Всероссийской научно-практической конференции Курск: ВНИИЗиЗПЭ, 2007.- С. 259-262.
5. Сапрыкина Т.В. Проблемы мониторинга микроэлементов в Центральном Черноземье // Медико-экологические информационные технологии - 2007. Материалы Х Международной научно-технической конференции. Курск: изд-во КГТУ, 2007. - С.260-264.
6. Сапрыкина Т.В. Влияние некорневого применения микроэлементов на показатели качества зерна ячменя // Проблемы почвоведения, земледелия и экологии Центрального Черноземья. Материалы научно-практической конференции Курского отделения Межрегиональной общественной организации «Общество почвоведов им. В. В. Докучаева». - г. Курск, 2007. С.40.
7. Митрохина О.А., Сапрыкина Т.В. Эффективность микроэлементов на посевах озимой пшеницы // Агрохимические технологии, приемы и способы увеличения объемов производства высококачественной сельскохозяйственной продукции Материалы Международной научной конференции. Российская академия сельскохозяйственных наук.
Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д.
И. Прянишникова (ВНИИА). – г. Москва: 2008. - С. 58-60.
8. Сапрыкина Т.В. Влияние некорневой обработки микроэлементами на биоморфологические показатели растений ячменя // Агроэкологические проблемы повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур. Материалы научно-практической конференции Курского отделения Межрегиональной общественной организации «Общество почвоведов им. В. В. Докучаева». - г. Курск, 2008. С. 38.
9. Сапрыкина Т.В. Влияние микроэлементов на фотосинтетическую активность растений ячменя // Агроэкологические проблемы повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур.
Материалы научно-практической конференции Курского отделения Межрегиональной общественной организации «Общество почвоведов им. В.
В. Докучаева». - г. Курск, май 2008. - С. 41.