научная статья по теме ДИНАМИКА НАКОПЛЕНИЯ КАДМИЯ И КАЛИЯ РАСТЕНИЯМИ ПШЕНИЦЫ НА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ И ТОРФЯНОЙ НИЗИННОЙ ПОЧВАХ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИКА НАКОПЛЕНИЯ КАДМИЯ И КАЛИЯ РАСТЕНИЯМИ ПШЕНИЦЫ НА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ И ТОРФЯНОЙ НИЗИННОЙ ПОЧВАХ»

АГРОХИМИЯ, 2013, № 11, с. 86-96

УДК 632.122.1:546.48:633.11:631.445.24:631.445.124

ДИНАМИКА НАКОПЛЕНИЯ КАДМИЯ И КАЛИЯ РАСТЕНИЯМИ ПШЕНИЦЫ НА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОй И ТОРФЯНОЙ НИЗИННОЙ ПОЧВАХ

© 2013 М.А. Ефремова, Н.А. Сладкова, А.С. Вяльшина

Санкт-Петербургский государственный аграрный университет 196600 Санкт-Петербург-Пушкин, Петербургское шоссе, 2, Россия Е-таИ: marina_efremova@mail.ru

Поступила в редакцию 19.05.2013 г.

Динамика роста растений пшеницы и накопления ими кадмия и калия в растениях описаны с использованием логистической функции. В вегетационных опытах определены удельные скорость роста растений пшеницы и скорости выноса ими кадмия и калия из дерново-подзолистой и торфяной низинной почвы. Исследовано влияние соотношения этих параметров на накопление этих элементов в растениях. Установлено увеличение содержания Cd в пшенице при возрастании дозы калийных удобрений.

Ключевые слова: динамика накопления кадмия и калия, пшеница, дерново-подзолистая почва, торфяная низинная почва.

ВВЕДЕНИЕ

Почва является исходным звеном миграции большинства химических элементов в природной среде и агроэкосистемах. Накопление био-фильных элементов и токсикантов в растении находится в непосредственной зависимости от их распределения в системе твердая фаза почвы-почвенный раствор-корневая система растения и обусловлено физико-химическими свойствами элементов и почв, климатическими факторами, генетическими особенностями видов [1-4].

Современное развитие производства создает предпосылки для загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ). При сложившейся структуре атмосферных выпадений вероятность проявления техногенного загрязнения почв ТМ возрастает в ряду: Сё, РЬ & гп, Си, N > V, Сг, Со [5]. Поступление ТМ в почву с удобрениями может превышать их выпадение из атмосферы. По некоторым данным, к загрязнению почв Западной Европы кадмием привело систематическое использование удобрений, изготовленных на основе фосфоритных руд с максимальным содержанием 563 мг Са/кг Р [6].

Среди других ТМ кадмий характеризуется наибольшей подвижностью в системе почва-растение [2, 3, 7]. Аккумуляция Са растениями может способствовать развитию неблагоприятных для них физиологических и биохимических эффек-

тов, таких как снижение скорости транспирации, ухудшение минерального питания, нарушение работы клеточных ферментов, накопление в клетках оксидантов, что в целом снижает продуктивность растений [4, 8-11]. Известно [12], что неблагоприятное воздействие ТМ на организмы высших звеньев пищевой цепи проявляется при более низком их содержании в почве, чем фитотоксич-ная концентрация.

В ряде экспериментов была исследована аккумуляция Са растениями в процессе вегетации с использованием метода математического моделирования [13-15]. Использование этого метода позволило оценить удельные скорости роста растений и накопления ими ряда макро- и микроэлементов в изменяющихся условиях среды.

Цель работы - количественное определение параметров роста растений пшеницы на почвах, загрязненных кадмием, и динамики накопления ими кадмия и калия при увеличении дозы калийных удобрений.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Изменение массы растений в течение вегетации можно описать S-образной кривой Сакса, которая аппроксимируется логистической функцией [13-18]:

М(Г ) =■

МПМтЯх б

М_ + Мп е

(1)

где Мтах - максимально возможная масса растений, г/сосуд; М0 - некоторая начальная масса растений, г/сосуд; п - константа удельной скорости накопления массы растений, сут-1; ^ - время, прошедшее от момента прорастания семян, сут.

В начале периода вегетации при условии Мтах & М0еп ожидается по этой модели экспоненциальное нарастание массы растений, которое может быть описано следующей зависимостью:

М(0 = М0епК

(2)

А (Г) = ■

А0 Ат

:+ А о ев('

(4)

Таблица 1. Коэффициенты корреляции между расчетными по логистической функции* и фактическими динамиками биомассы растений и выноса ими химических элементов

Продолжительность экспоненциальной стадии роста растений выявляется построением прямолинейной зависимости логарифма биомассы (1пМ) от времени и определением числа точек, удовлетворяющих этой зависимости [13].

Математическая обработка логистической функции роста растений позволяет найти удельную скорость роста, связанную со скоростью клеточного деления, и величину М0, которая предположительно соответствует некоторой физиологически активной части семени, используемой для прорастания [13, 15]. Обе величины зависят от генетических особенностей растений и от условий их развития. Удельная скорость роста растений позволяет вычислить период (Т) удвоения их массы:

Т = 0.693/п. (3)

Экспериментально показано, что динамика выноса химических элементов растениями, также как и изменение их массы во времени, хорошо описывается логистической функцией [13-15]:

Вариант М Аса Ак

Опыт 1. Дерново-подзолистая почва

1. К20 0.99 0.99 0.98

2. К40 0.99 0.98 0.96

3. К60 0.98 0.99 0.88

4. К80 0.99 0.98 0.94

5. К100 0.99 0.99 0.86

6. К140 0.99 0.99 0.99

7. К180 0.99 0.96 0.90

8. К220 0.99 0.99 0.95

Опыт 2. Торфяная низинная почва

1. К0 0.98 0.97 0.94

2. К50 0.92 0.94 0.75

3. К100 0.95 0.93 -

4. К150 0.99 0.97 0.96

5. К200 0.99 0.99 0.98

6. К250 0.99 0.99 0.98

7. К350 0.99 0.99 0.94

8. К450 0.98 0.97 0.99

9. К550 0.98 0.98 0.96

10. К650 0.99 0.99 0.91

где Атах - максимальный вынос химического элемента растениями, мг/сосуд; А0 - содержание элемента в "активной" массе семени, мг/сосуд; в -удельная скорость выноса химического элемента растениями, сут-1; ^ - время, сут.

С использованием приведенных выше функций были проанализированы результаты вегетационных прецизионных опытов, в которых пшеницу выращивали на почвах 2 типов: дерново-подзолистой среднесуглинистой и торфяной низинной. Схемы обоих опытов включали несколько вариантов, различающихся дозой сульфата калия, примененного на фоне внесения сульфата аммония и простого суперфосфата (табл. 1). Доза N в обоих опытах составила ^50, доза Рс - Р100 для дерново-

* В соответствии с уравнениями (1) и (4).

подзолистой почвы и Р200 для торфяной низинной почвы. Доза Кс варьировала на торфяной низинной почве в диапазоне К50-650, на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве - в диапазоне К20-220. На торфяной почве в качестве контроля был принят вариант без применения калийных удобрений. Удобрения в торфяную почву были внесены за 40 сут до посева пшеницы, в дерново-подзолистую почву - за 2 сут до посева.

Кадмий был внесен в почву в виде раствора CdSO4 одновременно с удобрениями при набивке сосудов из расчета 1 мг Cd /кг дерново-подзолистой почвы и 2 мг Cd/кг торфяной низинной. В опыте были использованы сосуды Кирсанова; масса дерново-подзолистой почвы в сосуде составила 5.5 кг, торфяной низинной почвы - 3.5 кг.

В опыте 1 была использована окультуренная дерново-подзолистая среднесуглинистая почва, сформированная на моренном карбонатном суглинке: содержание гумуса - 1.5%, рНкс1 6.6, Нг = 1.1, 5 = 28.2 мг-экв/100 г; V = 96.4%; содержание подвижных соединений фосфора и калия -соответственно 475 и 300 мг/кг почвы. Содержание кислоторастворимых соединений Cd в почве было равно 0.5 мг/кг (разложение почвы произведено НК03 в присутствии Н202).

е

Низинная торфяная почва была отобрана для опыта 2 на мелиорированном массиве "Литошиц-кое болото" Волосовского р-на Ленинградской обл. Почва древесно-осокового происхождения, высокозольная (зольность 13.1%), с высокой степенью разложения торфяной массы характеризовалась слабокислой реакцией среды (рНкс1 5.2), Нг = 41.1, S = 79.0 мг-экв/100 г, V = 65.8%, средним содержанием подвижных соединений фосфора и калия (337 и 311 мг/кг почвы соответственно), содержание кислоторастворимого Cd - 0.08 мг/кг почвы.

Посев пшеницы сорта Ленинградская-97 на дерново-подзолистой почве проводили в мае 2008 г., пшеницы сорта Красноуфимская-100 - в начале июля 2010 г. на торфяной почве. Для посева были использованы предварительно замоченные в воде семена - по 30 растений/сосуд. После прореживания в каждом сосуде было оставлено по 20 растений. Пшеницу убирали в разные сроки вегетации. На каждый вариант приходилось 9 временных точек отбора: 10, 14, 19, 24, 29, 37, 47, 57, 67 сут от прорастания семян пшеницы на дерново-подзолистой почве; 10, 14, 19, 24, 28, 34, 39, 46, 55 сут - на торфяной почве. В опыте определяли абсолютно сухую надземную массу растений. После проведения мокрого озоления растительных образцов в смеси азотной и хлорной кислот измеряли в образцах содержание кадмия методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Вынос Cd растениями рассчитывали как произведение величин их массы и содержания ТМ.

Математическая обработка полученных в опытах результатов проведена в программах MS Excel 2007 и ORIGIN 7.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Пшеница, выращенная на среднесуглинистой дерново-подзолистой почве, в среднем в опыте имела биомассу в 2.3 раза большую, чем на торфяной низинной почве (рис. 1). На обеих почвах нарастание биомассы пшеницы в течение периода наблюдений описывалось S-образной кривой, хорошо аппроксимируемой логистической функцией (1). Вычисленные величины параметров уравнения (1) согласовались с данными, полученными в исследованиях, проведенных на растениях тимофеевки, овса, рапса и пшеницы [13-15]. В процессе моделирования оптимальный подбор параметров логистической функции устанавливали по коэффициентам корреляции на уровне доверительной вероятности 0.95 (табл. 1). Математическая обработка показала, что достоверными

Возраст растений, сут.

Рис. 1. Динамика биомассы растений пшеницы на дерново-подзолистой (ДПП) и торфяной низинной (ТНП) почвах (среднее для вариантов). На ТНП не учтен контрольный вариант.

коэффициентами корреляции являются коэффициенты >0.71.

Степень корреляционной зависимости биомассы растений от дозы калийных удобрений сильно варьировала в течение роста растений. При этом в обоих опытах биомасса пшеницы достоверно не зависела от дозы калийных удобрений (табл. 2). Это обстоятельство позволило усреднить величины параметров логистической функции роста пшеницы в вариантах опытов (табл. 3).

Вел

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Сельское и лесное хозяйство»