CC BY
52
УДК 631.41
Виталий Савич,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Михаил Мазиров,
доктор биологических наук, профессор, Борис Борисов,
доктор биологических наук, профессор, Виктор Гукалов,
кандидат сельскохозяйственных наук, докторант,
Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва, Марина Котенко,
кандидат биологических наук, доцент,
Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала
ОЦЕНКА ОПТИМАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВ И НЕДОСТАТКА ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ РАСТЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
В работе показана целесообразность оценки обеспеченности растений биофильными элементами с использованием принципов обратной связи. Приводятся экспериментальные данные по оценке потребности растений в элементах питания по активности хлоропластов, содержанию в растениях положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений катионов, по параметрам фотосинтеза растений, развивающихся на суспензии почв после введения исследуемых ионов в суспензию. Методы основаны на введении элементов в почву или растения и на анализе ответной реакции растений и оценке экстремума. Показана целесообразность использования для оценки потребности растений в элементах питания (видов, сортов в зависимости от фаз развития) по поглощению их из суспензии исследуемой почвы, а затем из питательного раствора. Предлагается оценка сорбционных свойств корневых систем растений.
S u m m a r y
The expediency of estimation the requirements of plants in biophile elements using the principles of feedback is shown in this paper. Experimental data on estimation of plants requirements in nutrients by the activity of chloroplasts, the content of positively and negatively charged complex cation compounds in plants, on the photosynthetic parameters of plants developing on a soil suspension after introduction of the ions into the suspension are presented. The methods are based on the introduction of elements into the soil or plants and on the analysis of the plant response and the evaluation of the extremum. The expediency of use for needs of plants in nutrients (species, varieties depending on phenophase) has been shown by the absorption of nutrients from the suspension of the analysed soil, and then from the cultural solution. The estimation of sorption properties of root systems of plants is offered.
Ключевые слова: плодородие почв, потребность в элементах питания, фотосинтез, комплексные соединения, сорбционные свойства корней. Keywords: soil fertility, need for nutrients, photosynthesis, complex compounds, sorption properties of roots.
Оценка обеспеченности почв элементами питания и уровня загрязнения почв имеет большое агроэкологическое и экономическое значение. Для выяснения этих вопросов используют анализ почв, анализ растений, постановку полевых и вегетационных опытов. Однако при достаточном количестве биофильных элементов в почвах они могут не поступать в растения, в связи с экстремально высокими или низкими значениями влажности и температуры, при наличии в почве ионов, блокирующих или поступление ионов из почвы в корень, или переход их из корней в листья.
Метод растительной диагностики позволяет установить недостаток элементов в листьях, но исследуемый ион может не поступать в листья по ряду причин. Это ограничивает использование для оценки потребности растений в элементах питания только анализа почв или только анализа растений.
Полевые и вегетационные опыты дают объективную оценку обеспеченности почв и растений элементами питания и уровня загрязнения их. Однако они требуют значительных затрат и продолжительны во времени. При этом закономерности, установленные для одних почв и условий, одних видов и сортов растений, не подходят для других условий и растений.
С нашей точки зрения, оптимальным экспериментальным методом оценки потребности
растений в элементах питания является метод, основанный на принципах обратной связи: введение элемента в почву или растение — идентификация ответной реакции растений — поиск оптимального воздействия.
Объектом исследования выбраны дерново-подзолистые почвы, черноземы и некоторые другие типы почв, резко отличающиеся от них по свойствам и степени загрязнения тяжелыми металлами. В качестве биотестов использовали яблоню, розу, рис, разнотравье таежно-лесной зоны, пшеницу, ель, липу [2, 9, 11, 12].
Методика исследования состояла в оценке содержания в растениях положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений, в оценке активности фотосинтеза растений, в определении сорбционных свойств корневых систем, испарения из почв и растений, в определении активности хлоропластов, в оценке цветовой гаммы листьев. Анализы содержания элементов в почвах и в растениях проведены общепринятыми методами [1, 2, 3, 5, 11, 12, 13, 15, 18, 19].
Экспериментальная часть
Оценка потребности растений в элементах питания по введению их в растения и анализу ответной реакции растений Недостаток элементов питания для растений может быть определен по химическому со-
ставу листьев. По полученным нами данным, обеспеченность растений элементами питания перспективно оценивать по цветовой гамме листьев с использованием методов компьютерной диагностики, при электрофоретическом введении элементов в листья и анализе параметров фотосинтеза, при электрофоретическом введении элементов в листья и стебли и определении в них доли положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений, по активности хлоропластов. Это иллюстрируется экспериментальным материалом, полученным в наших исследованиях [3, 5, 18].
Определение недостатка элементов питания в растениях по цветовой гамме листьев
По полученным данным, недостаток элементов питания для растений отражается на цветовой гамме листьев (жилки листа, центра листа, краев листа). Это иллюстрируют данные следующей таблицы.
Как видно из представленных данных, дефицит для растений биотеста отдельных элементов приводит к изменению интенсивности цветовой гаммы листьев в цветовых координатах CMYK, 1_аЬ и к изменению соотношения цветов.
Недостаток = f Xk^; к.АД; knA2/A3 и т.д. (для разных растений и разных частей! листьев эти
INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL № 4/2017
www.mshj.ru
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ
Таблица 1
Цветовая гамма почв с недостатком биофильных элементов
Вариант Интенсивность цветов
С М У К а Ь 6/М С/У М/У
контроль 61,2 37,2 58,8 45,5 34,5 9,0 7,2 8,5 1,0 0,60
дефицит N 15,2 23,7 80,2 5,0 76,0 1,7 58,0 0,6 0,2 0,30
дефицит Р 50,0 19,7 77,2 19,2 57,0 20,0 32,7 2,5 0,6 0,25
дефицит К 52,0 21,0 74,2 21,7 54,5 19,5 28,2 2,5 0,7 0,28
показатели должны вычисляться для разных длин волн).
При этом экспрессным способом оценки обеспеченности почв и растений элементами питания и уровня их загрязнения является элек-трофоретическое введение элементов в растения и идентификация ответной реакции объекта по содержанию и соотношению положительно и отрицательно заряженных соединений ионов, определяемому методом химической автографии на основе электролиза.
Объектом исследования выбраны подзолистые иллювиально-железистые супесчаные почвы и дерново-старопойменные супесчаные почвы Приокско-террасного биосферного заповедника, а также деревья сосны и липы на изучаемых почвах.
При использовании системы обратной связи для оценки обеспеченности растений элементами питания ионы из насыщенной ими иони-товой мембраны электрофоретически вводились в листья при напряжении 9 вольт в течение 5 минут. Затем после 30-минутного перерыва ветви отделялись от дерева, и через 3 часа в растительном материале определялось содержание подвижных ионов с использованием метода химической автографии на основе электролиза при указанных ранее электрохимических параметрах. Элементы, перешедшие на слой хрома-тографической бумаги, находящейся у катода и анода, элюировались из данного сорбента 0,1н НС1 и затем определялись на атомном абсорбционном спектрофотометре.
Принцип метода основан на том, что если в растении нет избытка элемента, то его введение в листья приводит к образованию комплекса элемента с продуктами метаболизма растений. Содержание ионной формы (Мп+ при введении катиона или Ап- — при введении аниона) существенно не увеличивается. Аналогичная ситуация и для почвы. Если почва или растение загрязнены вводимым в них элементом, то селективные сорбционные места уже заняты, и при электрофоретическом введении элементов в объект увеличивается количество несвязанных в комплексы форм соединений ионов (-Мп+ — для катионов и Ап- — для анионов). Частичное нарушение этой закономерности может быть связано с образованием положительно заряженных комплексов катионов и отрицательно заряженных комплексов анионов, при разрушении комплексов с продуктами метаболизма при больших дозах введения ионов в объект, в связи с изменением рН, Е1г ионной силы. При этом метод применим для тех ионов, которые склонны к комплексообразованию. Большая величина соотношения М1_п"/М1-п+ была характерна для Мп, Ре (2,1-2,4) и меньшая — для Мд (0,8). Аналогичная зависимость была характерна и для хвои сосны. Электрофоретическое введение меди в листья липы увеличило содержание в листьях подвижных соединений Си, а введение Zn — увеличило содержание в листьях подвижных со-
единений Zn. При этом увеличилась доля их положительно заряженных соединений.
При электрофоретическом введении в растения Н2РО4 уменьшилась доля отрицательно заряженных соединений Zn, Мп, Ре, С<С, Си, но увеличилась доля отрицательно заряженных соединений Мд (очевидно, Мд-фосфатов). Элек-трофоретическое введение в растения 11О3 в основном увеличило подвижность всех катионов в листьях, при этом увеличилась и доля их отрицательно заряженных соединений. Электрофоре-тическое введение в листья РЬ, Са, 11Н4 привело к уменьшению доли отрицательно заряженных соединений всех изучаемых катионов.
По полученным данным, при электрофо-ретическом введении в хвою Си содержание в ней отрицательно заряженных соединений меди изменилось с 0,6 до 1,8, а положительно заряженных — с 0,5 до 1,4 мг/л. Введение в хвою цинка изменило содержание отрицательно заряженных соединений Zn с 0,8 до 4,2 мг/л, а положительно заряженных — с 0,8 до 4,1 мг/л. Электрофоретическое введение в хвою К+ резко увеличило содержание подвижных Ре и Си, очевидно, в связи с разрушением ряда структур. При этом особенно возросло содержание положительно заряженных соединений ионов.
Содержание в хвое подвижных соединений железа возросло при электрофоретическом введении в листья, как Си, Са, РЬ, Zn, так и 1МН4+, |\Ю3". Аналогичная ситуация отмечается также для Си и Zn. Однако на подвижность С<С, Мд, Мп электрофоретическое введение в хвою ионов подействовало в значительно меньшей степени.
Определение недостатка элементов питания по параметрам фотосинтеза при электрофоретическом введении элементов в листья
По полученным данным, перспективным методом обратной связи является электрофо-ретическое введение элементов в листья — идентификация ответной реакции растений по параметрам фотосинтеза.
Таблица 2
Изменение интенсивности фотосинтеза листьев розы при введении в них М§, Са, 1<\
Вариант Фотосинтез, моль/м2сек
контроль 11,7+0.2
+ Ме 10,2+0,4
контроль 13,6+0,1
+ Са 12,8+0,1
контроль 12,9+0,9
+ гп 15,6+0,2
Как видно из представленных данных, элек-трофоретическое введение в листья розы Мд, Са, Zn увеличило фотосинтез листьев, что свидетельствует о недостатке для растений этих элементов.
Определение недостатка элементов питания для растений по активности суспензии хлоропластов Оценка потребности растений в элементах питания по активности хлоропластов разработана Плешковым А.С. и Ягодиным Б.А. (19). Метод хорошо зарекомендовал себя в производственных условиях при выращивании растений в теплицах. В соответствии с методикой, в суспензию хлоро-пластов добавляются исследуемые элементы, и через заданный промежуток времени по изменению активности хлоропластов оценивают недостаток или избыток тестируемых элементов.
Установлено, что потребность растений в элементах питания зависит от фазы развития растений. Так, по полученным данным, при выращивании огурцов с 6 до 11 недель развития потребность растений в азоте составляла 109% к оптимальному содержанию, в фосфоре — 101%, в калии — 95%, в кальции — 90%, в магнии — 81%. Через 13, 14 недель развития растений потребность в % к оптимуму в | составляла 111, Р — 96, К — 110, Са — 104, Мд — 109%.
Оптимум состава питательного раствора отличался и для отдельных сортов растений. Так, для сортов арахиса 6Н-119, 47-10 и 28-206 увеличение активности хлоропластов при введении в их суспензию Р2О5 составляло соответственно 8,1±1,6; 18,2±2,3 и 16,7+1,1. Хорошо видно меньшую потребность в фосфоре у сорта 6Н-119.
Оценка обеспеченности почв элементами питания по введению их в почву и анализу ответной реакции почв Нами предлагается экспрессная методика оценки в поле трансформации соединений ионов в почве при электрофоретическом их введении в объект и дальнейшем анализе содержания в почве положительно и отрицательно заряженных соединений. Исследование почв показало, что в гумусовом горизонте А1 преобладают, в основном, отрицательно заряженные соединения Ре, Мп, Си; в горизонте ВОХ — положительно заряженные. Мд в большинстве горизонтов был представлен положительно заряженными соединениями.
Электрофоретическое введение ионов в сырую почву проводилось при напряжении 9 вольт в течение 5 минут. Затем через 60 мин. при тех же электрохимических параметрах проводилось извлечение ионов из почв методом химической автографии на основе электролиза. По полученным данным, в листьях липы преобладали отрицательно заряженные соединения Сс1, Ре, Мп, Си, Zn.
При электрофоретическом введении ионов в почву увеличивается в почве содержание их подвижных форм, изменяется соотношение положительно и отрицательно заряженных соединений. В то же время, электрофоретически вводимые в почву ионы взаимодействуют с уже существующими комплексами на основе эффекта конкурирующего комплексообразования, вытесняют из твердой фазы почв другие поглощенные ионы.
При электрофоретическом введении в почву фосфатов возможно образование фосфатных комплексов поливалентных катионов, а при высокой концентрации фосфатов и катионов — образование осадков. Более вероятно образование отрицательно заряженных комплексов поливалентных катионов с фосфатами, что должно привести к увеличению доли их отрицательно заряженных соединений в почве.
МСХЖ — 60 лет!
- 49
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ № 4 / 2017
При электрофоретическом введении ионов в почву другие катионы вытесняются из твердой фазы ППК. При этом более вероятно, что они будут находиться в ионной форме и только частично в виде гидроксикомплексов, т.е. более вероятно увеличение доли положительно заряженных соединений ионов.
Для всех изучаемых горизонтов и почв соотношение отрицательно и положительно заряженных соединений катионов в контрольном варианте было 1,5±0,4; при электрофоретическом введении в почву РЬ, Са, Си — 1,2±0,2; при электрофоретическом введении в почву Н2РО4 — 0,75±0,1. Полученные данные свидетельствовали о преобладании в гумусовых горизонтах почв доли отрицательно заряженных соединений катионов, о разрушении органо-минеральных комплексных соединений как при введении в почву РЬ, Са, Си, так, особенно, Н2РО4.
Оценка потребности растений в элементах питания по введению их в почву и анализу ответной реакции растений, развивающихся на этой почве По полученным нами данным, для оценки потребности в элементах питания растений, развивающихся на почве, более информативно исследование состояния и почв, и растений, и использование систем методов на основе обратной связи.
Оценка потребности растений в элементах питания по составу продуктов испарений из почв и транспирации из растений При недостатке элементов питания в почве растения мало их выделяют с транспирацией, при избытке — много. Это иллюстрируют данные следующей таблицы.
Оценка недостатка элементов питания для растений по составу продуктов транспирации растений
Таблица 3
Выделение меди с транспирацией из растений
Растение Вариант Cu в продуктах транспирации, мг/л
одуванчик контроль 0,13
+ Cu 0,27
подорожник контроль 0,03
+ Cu 0,35
Поглощение растениями элементов питания из суспензии почв и питательного раствора, как критерий плодородия почв В проведенных исследованиях показана перспективность оценки обеспеченности растений элементами питания по поглощению ими этих элементов из суспензии исследуемой почвы и затем из питательного раствора. При недостатке определенных элементов в почве они затем более эффективно поглощаются растениями из питательного раствора. Пример такого определения приведен в следующей таблице.
Таблица 4
Поглощение корневой системой проростков пшеницы К и Са из почвенной суспензии и затем из питательного раствора, мг/100 г
Вариант Содержание
К Cа
суспензия почв 50,1 27,0
+ растение 43,3 18,5
питательным раствор 32,8 4,0
+ растение 24,4 15.1
Как видно из представленных данных, растения, помещенные после пребывания в суспензии почв в питательный раствор, поглотили калий, но выделили кальций. Это свидетельствует о недостатке К и избытке Са.
Определение недостатка биофильных элементов для растений по изменению параметров фотосинтеза растений при введении элементов в суспензию почв, на которой выращиваются растения Параметры фотосинтеза растений существенно меняются при изменении состава почвенной суспензии, на которой эти растения развиваются. При добавлении в суспензию токсиканта интенсивность фотосинтеза уменьшается, а содержание СО2 в межклетниках возрастает, при добавлении недостающих растениям элементов питания наблюдается увеличение интенсивности фотосинтеза. Это иллюстрируют данные следующих таблиц.
Таким образом, на основании проведенных исследований предлагается метод оценки трансформации в почве ионов при электрофорети-ческом введении их в почву и при дальнейшем анализе в почве положительно и отрицательно заряженных соединений ионов. По сравнению с другими методами, преимущество рекомендуемого обусловлено тем, что в почву вводится только катион или анион, а не оба вместе.
Для оценки недостатка элементов питания в растениях предлагается электрофоретиче-ское введение элементов в листья и дальнейшее определение в листьях положительно и отрицательно заряженных соединений. При избытке элемента в листе его дополнительное электро-форетическое введение приводит к уменьшению в листе комплексных соединений этого элемента (для Си, Zn, Мп, Ре — доли отрицательно заряженных соединений).
Для оценки оптимальных свойств почв для отдельных культур и сортов предлагается метод на основе принципов обратной связи — введение элементов в суспензию почв — идентификация ответной реакции растений, развивающихся на этой суспензии, по параметрам фотосинтеза растений.
Литература
1. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агро-технологий, М., ФГНУ Росинформагротех, 2005, 784 с.
2. Аристархов А.И. Оптимизация питания растений и применения удобрений в агроэкосистемах, М., ЦИНАО, 2000, 520 с.
3. Вахмистров Д.Б. Соотношение элементов минерального питания в среде и рост растений. Уточнение формы купола отклика // Физиология растений. 1994. Т. 41. № 1. С. 64-69.
4. Демин В.А. Обоснование рациональных систем удобрения в севооборотах при интенсификации сельскохозяйственного производства Нечерноземной зоны, Автореф. докт. дисс., ТСХА, 1985. 38 с.
5. Ельников И.И. Комплексные методы диагностики эффективного плодородия почв, Автореф. докт. дисс., М., РАСХН, 1993. 48 с.
6. Жуков Ю.П. Комплексная химизация в интенсивных технологиях возделывания культур в Нечерноземье, М., ТСХА, 1989. 90 с.
7. Замараев А.Г., Савич В.И., Сычев В.Г. Энергомас-сообмен в звене полевого севооборота, М., РГАУ-МСХА, ВНИИА, 2005. Ч. 2. 336 с.
8. Кобзаренко В.И. Ресурсы фосфора и калия темно-серых лесных и дерново-подзолистых почв и возможность их мобилизации, Автореф. докт. дисс., М., ТСХА, 1998. 47 с.
9. Никиточкин Д.Н., Савич В.И., Наумов В.Д., Байбе-ков Р.Ф. Модели плодородия почв под яблоню во времени и в пространстве, М., РГАУ-МСХА, ВНИИА, 2015. 272 с.
10. Полуэктов Р.А. Диагностические модели агроэко-систем, СПб, Гидрометеоиздат, 1999. 310 с.
11. Савич В.И., Аттикаинг Д. Корректировка оптимальных параметров почвенного плодородия с учетом сорбционных свойств корневых систем растений, Докл. ВАСХНИЛ, 1991. № 11. С. 11-14.
12. Савич В.И., Савич Л.В., Вишняков Ю.А. Оценка предельно допустимых концентраций свинца по активности фотосинтеза, Докл. АН России, Общая биология, 1993. Т. 333. № 2. С. 121-123.
13. Савич В.И., Сычев В.Г., Шишов Л.Л. и др. Экспрессные методы обеспеченности почв элементами питания и уровня загрязнения токсикантами, М., ЦИНАО, 2004. 152 с.
14. Савич В.И., Булгаков Д.С. и др. Интегральная оценка плодородия почв, М., РГАУ-МСХА, 2010. 347 с.
15. Савич В.И., Сычев В.Г., Балабко П.Н. Баланс биофильных элементов в системе почва-растение // Вестник БГАУ. 2016. № 1. С. 14-19.
16. Савич В.И., Наумов В.Д., Котенко М.Е. Локальное протекание почвообразовательных процессов, как фактор корректировки моделей плодородия почв // Международный сельскохозяйственный журнал. 2017. № 1. С. 49-53.
17. Фрид А.С. Информационные модели плодородия почв // Вестник сельскохозяйственной науки. 1987. № 9. С. 8-12.
18. Церлинг В.О. Диагностика питания сельскохозяйственных культур, М., Агропромиздат, 1990. 240 с.
19. Ягодин Б.А., Плешков А.С. Диагностика минерального питания растений, Методические указания, М., МСХА, 1988. 32 с.
Таблица 5
Изменение параметров фотосинтеза растений, развивающихся на суспензии почвы при добавлении в нее Pb(NO3)2
Вариант Удержание C02 в межклетниках * Устьичное сопротивление ** Интенсивность фотосинтеза *** Транспирация ****
контроль + Pb 377±65 1134±290 20,3±2,7 127,4±16,2 6,6±0,7 2,2±0,3 0,6±0,1 0,2±0,1
*) ррм; **) сек/Ом; ***) моль/м2 в сек; ****) моль/м2сек
Таблица 6
Влияние Са(ОН)2 на фотосинтез растений, развивающихся на кислой дерново-подзолистой почве
Вариант Удержание C02 Устьичное сопротивление Интенсивность фотосинтеза Транспирация
контроль + Са(ОН)2 382,4±22,8 308,8±44,3 54,9±9,9 40,1±5,7 0,9±0,1 1,6±0,2 0,2±0,03 0,3±0,03
50 -
INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL № 4/2017
www.mshj.ru
