АГРОХИМИЯ, 2014, № 12, с. 42-54
== Экотоксикология
УДК 631.416.9:633.16:581.1
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ Zn В ПОЧВАХ НА ДИНАМИКУ НАКОПЛЕНИЯ БИОМАССЫ И МЕТАЛЛА РАСТЕНИЯМИ ЯЧМЕНЯ
© 2014 г. Р.А. Фригидов, В.С. Анисимов, Л.М. Фригидова, С.А. Гераськин, Л.Н.Анисимова, Ю.Н. Корнеев, Н.И. Санжарова
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии РАСХН 249030 Обнинск, Калужская обл., Киевское шоссе, 109 км, Россия E-mail: vsanisimov@list.ru
Поступила в редакцию 30.07.2014 г.
В вегетационном опыте изучена динамика накопления биомассы и Zn ячменем (Hordeum vulgare L.) в зависимости от типа почвы и концентрации в ней металла. Установлены пороговые концентрации Zn в дерново-подзолистой супесчаной и торфяной болотной низинной почвах, при которых проявлялась его фитотоксичность.
Ключевые слова: цинк, почвы, ячмень, фитотоксичность.
ВВЕДЕНИЕ
2п является необходимым для растений микроэлементом, поскольку принимает участие в углеводном и белковом обмене, окислительных процессах, входит в состав более чем 200 ферментов, участвует в синтезе ДНК, РНК, хлорофилла, оказывает влияние на формирование генеративных органов. 2п является одним из наиболее биологически доступных элементов: содержание подвижного цинка в почве, экстрагируемого разбавленными минеральными кислотами, может достигать 20-60%. Содержание 2п в поверхностном горизонте почв мира изменяется в пределах 17-150 мг/кг [1]. При дефиците 2п прекращается образование семян, наблюдают недостаточное развитие листьев, возникает хлороз. 2п влияет на проницаемость мембран, стабилизирует клеточные компоненты [2].
Фитотоксичность 2п контролируется как эда-фическими свойствами почв (рН, емкость катион-ного обмена, содержание органического вещества и др.), так и способностью растений ограничивать поступление ТМ. В значительной степени устойчивость сельскохозяйственных культур к 2п определяется их видовыми особенностями [9]. Опасность цинка усугубляется слабым выведением его из почвы (период полуочищения ~ 70-510 лет) [4, 9], поэтому цинк, находящийся в почвах, в концентрациях, превышающих ПДК, можно отнести к тяжелым металлам (ТМ).
Цель работы - установление пороговых концентраций Zn в почвах разного генезиса (минеральной и органогенной) путем исследования динамики показателей «биомасса», «содержание металла», «вынос металла» при внесении в почвы разных доз Zn с помощью тест-культуры -ячменя.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Ячмень в качестве тест-культуры был выбран по ряду причин: во-первых, ячмень является важной продовольственной культурой, во-вторых, он широко распространен в Нечерноземной зоне России, в-третьих, Zn в ячмене накапливается преимущественно в генеративных органах (в отличие от пшеницы и овса) [10]. Это имеет большое значение для надежного определения массовой доли элемента в зерне растений, выращенных на почвах, содержащих малые количества Zn, либо характеризующихся повышенной инакти-вирующей способностью к ТМ (органогенные почвы с нейтральной реакцией, черноземы, каш-таноземы).
Поведение Zn в системе почва-растение изучали в вегетационных опытах в контролируемых условиях (температура 20-25 °С, относительная влажность воздуха 60-70%, влажность почвы 60% ПВ). Объектом исследования служил ячмень (Hordeum vulgare L.) сорта Зазерский-85.
В почву двух типов - дерново-подзолистую супесчаную окультуренную (Жуковский р-н Калужской обл.) и торфяную болотную низинную (Спас-Деменский р-н Калужской обл.) - были высажены пророщенные семена в количестве 30 шт./сосуд (лабораторная всхожесть 93%). Агрохимические показатели почв (табл. 1) определяли общепринятыми методами [3, 6]: pHKCl (рН^О) - потенцио-метрическим методом в суспензии почвы в 1 М растворе KCl (дистиллированной воде) при соотношении твердой и жидкой фаз 1 : 2.5 (1 : 25 - для торфяной почвы), содержание гумуса - по методу Тюрина, гидролитическую кислотность - по Кап-пену, сумму поглощенных оснований - по Кап-пену-Гильковиц, содержание подвижных форм P2O5 - по Кирсанову и K2O - по Масловой.
Перед посевом в почву добавляли питательные элементы в виде водных растворов солей (Naa, KH2PO4, Kc) из расчета N200, РШо и K100. Zn (водный раствор нитрата) вносили в следующих количествах (мг/кг воздушно-сухой почвы): 25, 50, 100, 175 и 500 (дерново-подзолистая почва); 250, 500, 1000, 1500, 2000 и 2500 (торфяная низинная почва).
В каждой почве количество внесенного азота удобрения корректировали по варианту с максимальной дозой Zn. Растения выращивали в пластиковых сосудах объемом 5 л, содержащих по 5 кг абсолютно-сухой дерново-подзолистой почвы (соответственно 6 кг воздушно-сухой плотности) и 1.2 кг абсолютно-сухой (соответственно 1.95 кг воздушно-сухой плотности) торфяной низинной почвы. Объем дерново-подзолистой почвы в вегетационных сосудах составлял «4.0 дм3, торфяной болотной низинной «4.5 дм3. Соответственно, плотность сложения почв в сосудах была равна 1.25 и 0.27 кг/дм3. Благодаря различию почв в вегетационных сосудах даже при массовой концентрации Zn в торфяной почве 2000 мг/кг объемная концентрация металласоставлялавсего 530 мг/дм3. Это даже меньше объемной концентрации Zn в дерново-подзолистой почве (625 мг/дм3) при массовой концентрации металла в этой почве 500 мг/кг. Контролем служил вариант с NPK без внесения Zn.
Используя 21-суточные растения ячменя, определяли морфометрические показатели: длину растений (по максимально длинному листу), их сырую, воздушно-сухую, абсолютно-сухую массу, площадь листовой пластинки, которые пересчитывали на одно растение, а также содержание Zn.
Отдельные показатели регистрировали в динамике. Для этого из каждого сосуда отбирали по 2 растения через 5, 8, 11, 14, 17, 21, 25, 35, 40, 45,
50, 55 сут после посева (торф) и через 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 35, 40 сут (дерново-подзолистая почва). Оставшиеся в сосудах растения убирали после созревания урожая. Опыт проводили в шестикратной повторности.
Концентрацию ¿п в растениях определяли в соответствии с методикой [11]. Коэффициенты накопления (КН) рассчитывали как отношение массовой доли ¿п в сухой биомассе к массовой доле его в почве.
Из литературных источников известно, что прирост надземной биомассы злаковых растений вплоть до фазы налива семян хорошо описывается логистической ^-образной) функцией [8, 12, 14]:
M( t) = ■
Mm
1+-
Mm
(1)
Mo
-X exp(-n x t)
где Mmax - максимальная возможная масса 1-го растения, г; M0 - начальная масса 1-го растения (расчетная величина); n - удельная скорость прироста биомассы растения, сут-1; t - время, сут.
После фазы цветения, согласно [14], у злаков наблюдают вторую стадию активного накопления биомассы. Детально динамику накопления биомассы ячменя в эту стадию не изучали.
Согласно литературным источникам [12, 13], содержание Zn (равно как и других двухвалентных катионов) в растениях увеличивается в ходе онтогенеза. При этом зависимость изменения содержания Zn в вегетативных органах ячменя от времени носит асимптотический характер, приближаясь к максимуму ([Zn]max раст), характерному для каждой концентрации Zn в почве. Подобная зависимость может быть описана уравнением:
[Zn]
раст
[Zn]
max, раст
X [1- exp(-3 X t)], (2)
где [Zn] раст - содержание Zn в растении, мг/кг; 3 -константа накопления металла, сут-1; t - время, сут.
Динамика выноса Zn биомассой может быть описана с помощью логистической функции:
W(t) = ■
W
1 +-
Wm
(3)
Wo
-X exp(-H X t)
где Штах - максимально возможный вынос ¿п одним растением, г; Ж0 - начальный вынос (расчетная величина); и - константа выноса ¿п биомассой, сут-1, ^ - время, сут.
Величины параметров уравнений (1), (2) и
(3): Мтах, Мо, Штах, и, П, [¿п]
и b подбирали с использованием модуля «нелинейное
max раст
Таблица 1. Физико-химические показатели торфяной и дерново-подзолистой почв
Показатель Дерново-подзолистая супесчаная почва Торфяная болотная низинная почва
РНКС1 5.19±0.01 5.13±0.03
Рнн2о 5.55±0.02 не опр.
Подвижный К20 мг/100 г п. 19.3±4.4 11.9±0.2
Подвижный Р205 мг/100 г 20.4±1.2 7.48±0.23
почвы по Кирсанову
Гумус, % 1.7±0.1 13.8*
Емкость катионного обме- 9.3±1.2 62.0*±1.0
на, мг-экв/100 г почвы
ПВ, % 35.5±0.7 345±3
Нг, мг-экв/100 г почвы 1.08±0.05 45.2±1.2
Валовое содержание 2и, 25.5±2.8 23±14
мг/кг
* Зольность торфа, %. ** Сумма поглощенных оснований, мг-экв/100 г почвы.
оценивание» программы Statistica 10. При этом применяли алгоритм последовательных итераций, использующий минимизацию ошибки Е = = 2[УДрасч) - ГДизмерен)]2, где У = М, Ж, [2п] раст, по методу Левенберга-Маркотта в качестве критерия подбора параметров.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
С целью изучения фитотоксических эффектов повышенных концентраций 2п в почвах на ранних фазах развития ячменя для 21-суточных растений определяли некоторые морфометрические показатели растений. Установлено отсутствие достоверного изменения морфометрических харак-
теристик 21-суточных растений ячменя с увеличением концентрации 2п в торфяной почве вплоть до 2500 мг/кг (табл. 2). Необходимо отметить, что воздушно-сухая масса растений сначала незначительно увеличивалась при дозе 250 мг 2п/кг, затем снижалась (недостоверно по отношению к контролю, но достоверно по отношению к первой (стимулирующей) дозе 250 мг 2п/кг почвы) на 34% (2000 мг 2п/кг) и 21% (2500 мг 2п/кг).
Площадь листьев также изменялась нелинейно: сначала была отмечена тенденция к стимуляции - увеличению площади листьев при малых и средних дозах цинка (250-1500 мг 2п/кг). При дальнейшем увеличении количества внесенного цинка (2000-2500 мг 2п/кг) наблюдали достоверное снижение площади листьев в расчете на одно растение (на 31 и 27% соответственно) по сравнению с максимумом (при содержании 250 мг 2п/кг почвы) и недостоверное - по сравнению с контролем.
Для дерново-подзолистой почвы (табл. 3) обнаружено достоверное уменьшение высоты 21-суточных растений ячменя на 27% при дозе 500 мг 2п/кг. При этой же дозе воздушно-сухая масса достоверно снижалась по отношению к контролю на 70%. При меньших дозах снижения воздушно-сухой биомассы растений не отмечено, что свидетельствовал
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.