АГРОХИМИЯ, 2007, № 12, с. 36-43
УДК 631.811.944:581.192
ЖЕЛЕЗО В РАСТЕНИЯХ ЗАБАЙКАЛЬЯ
© 2007 г. В. К. Кашин, Г. М. Иванов
Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН 670047 Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, Россия Поступила в редакцию 23.03.2007 г.
Определено содержание железа в растениях степных, луговых и агроценозов. Выявлены некоторые особенности накопления железа разными видами растений в сопоставимых условиях и одними и теми же видами в разных экологических условиях. На основании расчетов зависимости содержания железа в растительности от его количества в почвах показано, что оно является элементом очень низкой интенсивности поглощения: коэффициент биологического поглощения его варьирует в пределах 0.03-0.14. Содержание железа в надземной массе степной (82-280 мг/кг) и луговой (56-330 мг/кг сухой массы) растительности региона находится в пределах нормальной обеспеченности для животных.
ВВЕДЕНИЕ
Железо является одним из наиболее распространенных в природе элементов. По содержанию в земной коре он занимает 4-е место среди химических элементов: кларк его равен 53000 мг/кг [1]. Железо концентрируется преимущественно в основных - 5.6-8.7% и в меньшей степени в кислых магматических породах - 1.4-2.7%. Геохимия железа в почвах отличается сложным характером и во многом определяется его способностью легко изменять валентность в зависимости от почвенных режимов. В аэробных условиях оно трехвалентно, а в анаэробных - двухвалентно. Fe2Oз практически неравстворим в почвенных водах, а FeO растворим и подвижен. Среднее содержание железа в почвах мира 40000 мг/кг [1], т.е. оно присутствует в них в макроколичествах и вследствие этого играет важную роль в процессах почвообразования [2, 3]. И все же дефицит железа для растений довольно распространенное явление. Это обусловлено тем, что в существующих интервалах рН в почвах оксидные и гидроксидные соединения железа практически нерастворимы. Из двухвалентных соединений больше всего растениями поглощаются водорастворимые и обменные формы. Однако они образуются в хорошо дренированных почвах. Поэтому основную роль в образовании биодоступных форм железа играет восстановительная способность микроорганизмов и корневых выделений растений [2].
В растениях железо входит в состав цитохро-мов, участвующих в процессе дыхания, а также окислительных ферментов каталазы и перокси-дазы. В этих ферментах железо функционирует благодаря способности обратимо окисляться и восстанавливаться ^е3+ + е- = Fe2+). Железо имеет существенное значение и для ферментов, участвующих в синтезе хлорофилла. Кроме того, оно
является составной частью ферредоксина - переносчика электронов в процессе фотосинтеза. Поэтому в листьях высших растений наблюдается повышенное содержание железа, наряду с медью и марганцем, а содержание его в хлоропластах значительно выше, чем в целых листьях [4]. Недостаток железа вызывает глубокий хлороз в развивающихся листьях. Чаще всего хлороз наблюдается у плодовых деревьев. К недостатку железа особенно чувствительны яблоня, груша, слива и ягодники, а также капуста, томаты, картофель [5, 6]. Дефицит железа влияет на различные физиологические процессы, что является причиной ослабления роста растений и снижения их продуктивности.
Поглощение и перенос железа в растительных органах во многом зависит от ряда факторов в самих растениях и экологических условий среды, из которых наибольшее значение имеют рН, содержание кальция и фосфора, а также соотношение некоторых тяжелых металлов. В общем случае высокая степень окисления соединений железа, его осаждение на карбонатах или фосфатах и конкуренция катионов других микроэлементов (Мп, №, Со) с Fe2+ за места присоединения хелатирующих соединений обусловливают низкие уровни поглощения этого элемента и вызывают нарушения в его переносе и биосинтезе в растениях. Для растений недостаточность железа в большинстве случаев обусловлена той формой, в которой оно находится в почве: соединения двухвалентного железа обычно хорошо растворимы в воде, а трехвалентного - слабо или почти нерастворимы. Дефицит железа часто существует в почвах с высокими значениями рН, наличием карбонатов, низким содержанием органического вещества и в песчаных почвах [7].
Природное (фоновое) содержание железа в кормовых растениях изменяется от 18 до 1000 мг/кг сухой массы (колебания средних содержаний 43-
Таблица 1. Содержание железа в разных видах растений на одном местообитании (почва аллювиальная дерновая, содержание валового железа в слое 0-20 см 40000 ± 2400 мг/кг)
Вид растения Fe, мг/кг сухой массы ОСВР* КБП** Группа накопления
Смолевка ползучая (Silene repens Patrin) 336 ± 14 2.8 0.008 Повышенное
накопление
Лапчатка рябинколистная (Potentilla tanacetifolia Wild) 234 ± 9 1.4 0.006 То же
Люцерна серповидная (Medicago falcata L.) 228 ± 10 1.4 0.006 »
Подмаренник настоящий (Galium boreale L.) 224 ± 8 1.4 0.006 »
Подмаренник бореальный (Galium boreale L.) 190 ± 9 1.2 0.005 Среднее
накопление
Гвоздика разноцветная (Dianthus versicolor Fisch. et Link.) 183 ± 7 1.1 0.005 То же
Полевица монгольская (Agrostis mongholica Roshev.) 180 ± 8 1.1 0.005 »
Астрагал даурский (Astragalus dahuricus (Pallas) DS) 170 ± 7 1.0 0.004 »
Вика жилковатая (Vicia nervata Sipl.) 150 ± 7 0.9 0.004 »
Кровохлебка аптечная (Sanguisorba officinalis L.) 134 ± 5 0.8 0.003 »
Кострец безостый (Bromus inermis Leysser) 126 ± 6 0.8 0.003 »
Пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski) 64 ± 4 0.4 0.002 Пониженное
накопление
Житняк гребенчатый (Agropyron cristatum L.) 39 ± 2 0.2 0.001 То же
* Относительное содержание в видах растений. ** Коэффициент биологического поглощения.
376 мг/кг). Потребность пастбищных животных в железе как питательном веществе обычно удовлетворяется при его содержании в растениях от 50 до 100 мг/кг сухого вещества корма [2, 8].
Несмотря на важное биологическое значение железа для человека, животных и растений, его содержание в почвах и растениях Забайкалья практически не изучалось, хотя заболевания населения (особенно детей) и животных анемией здесь довольно частое явление. В связи с этим в задачу настоящей работы входило изучение некоторых особенностей накопления железа разными видами растений, интенсивность его поглощения растениями из почвы, а также содержание его в укосах растительности степных, луговых и агро-ценозов и вовлечение элемента в биологический круговорот.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили в 12 наиболее населенных центральных и южных районах Бурятии (Западное Забайкалье: степная, сухостепная, лесостепная и таежная зоны). Ключевые площадки 100 х 100 м закладывали на типичных участках степей, лугов и культурных посевов в соответствии с методическими рекомендациями [9]. На каждой площадке проводили отбор проб отдельных видов растений, а также общих укосов фито-массы с площади 1 м2 в 4-6-кратной повторности. Пробы отбирали в период наибольшей биопро-
дуктивности растений (массового цветения растений-доминант). Одновременно со взятием проб растений из почвенных разрезов брали образцы почв. Содержание железа в почвах и зольном остатке растений определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии в аналитическом центре Республики Бурятия. Метод основан на получении и детектировании линейчатого спектра, который специфичен для каждого элемента. Сухое озоление растительного материала в муфельных печах при 480°С. Аналитическая повторность 3-кратная. Математическую обработку результатов проводили по [10]. Русские и латинские названия растений даны по [11]. Способ расчета относительного содержания изучаемого элемента в видах растений (ОСВР) по [12]: за 1.0 принимается среднее содержание элемента из всех изученных на определенном участке видов растений. В группу среднего накопления относят растения, содержания элемента в которых отличаются от среднего на ±20% (ОСВР - 0.8-1.2), в группу повышенного - с ОСВР > 1.2, в группу пониженного -с ОСВР < 0.8.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате исследований установлено, что разные виды растений в сравнимых условиях избирательно накапливают железо (табл. 1). Для характеристики видовой специфичности накопления химических элементов растениями целесо-
образно рассматривать не абсолютное, а относительное содержание изучаемого элемента в видах растений в одинаковых условиях - ОСВР [12].
Использование этого параметра, а также коэффициента биологического поглощения для анализа 12 основных видов, произрастающих в одном экотопе, позволило выделить группы растений повышенного в 1.4-2.0 раза, среднего (0.8-1.2 раза) и пониженного (0.2-0.4 раза) накопления железа. Следует отметить, что в данной выборке наибольшее количество растений находится в группе среднего накопления элемента.
Различия между максимальным и минимальным содержанием железа у наиболее контрастных видов - смолевке ползучей (336 мг/кг) и житняке гребенчатом (39 мг/кг) достигало 8.6 раза. На основании этих данных можно сделать вывод о том, что доступность элементов для разных видов растений зависит от специфики биохимических процессов, позволяющих регулировать их количество даже в условиях одинаковой концентрации элементов в почве. Биологические особенности растений являются результатом физиологической адаптации их к особенностям геохимической среды. Вследствие этого у растений вырабатывается определенная биогеохимическая специализация. Она связана с закреплением в растениях видовых свойств, приобретенных в процессе эволюции биосферы в течение длительного времени и обусловливающих способность каждого вида к формированию того или иного химического состава в определенных геохимических условиях.
Для оценки степени извлечения химических элементов из почвы растениями и накопления их в биомассе использовали отношение содержания элементов в золе растений к содержанию их в почве - КБП (коэффициент биологического поглощения). КБП позволяет косвенно судить о степени доступности элементов для растений и о поведении их в системе почва - растение. Железо следует отнести к группе элементов с очень низкой интенсивностью поглощения. Средний КБП желе
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.