CC BY
12
ВОПРОСЫ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
УДК 631.816.3:811.9
ВЛИЯНИЕ СЕЛЕНА НА ПРОДУКТИВНОСТЬ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ КАДМИЕМ
О.А. Шумилин, И.И. Серегина, д.б.н., С.Л. Белопухов, д.с.-х.н., И.И. Дмитревская, к.с.-х.н.
РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, e-mail: [email protected]
Изучено влияние различных способов внесения селенита натрия на урожайность и показатели качества яровой пшеницы сорта Злата в условиях загрязнения почвы кадмием. Установлено, что наибольшее воздействие селена на формирование зерновой продуктивности проявляется при предпосевной обработке семян и опрыскивании вегетирующих растений селенитом натрия. При этом при предпосевной обработке семян увеличение урожайности произошло в результате активизации аттрагирующей способности колоса, что обусловило улучшение выполненности зерновок. При опрыскивании вегетирующих растений выявлено усиление процессов закладки и реализации репродуктивных органов, что послужило причиной роста озерненности колоса. На показатели качества зерна пшеницы в большей степени влияло внесение селена в почву. При этом возросло содержание сырого протеина, что свидетельствует о восстановлении процессов поступления азота в растения и его накопления в зерне, а также процессов продуктивного использования азота в синтезе белка.
Ключевые слова: загрязнение почвы кадмием, предпосевная обработка семян, опрыскивание растений, яровая пшеница, урожай, качество.
EFFECT OF SELENIUM ON THE PRODUCTIVITY AND QUALITY OF SPRING WHEAT UNDER CONDITIONS OF SOIL CONTAMINATION WITH CADMIUM
PhD. student O.A. Shumilin, Dr. Sci. I.I. Seregina, Dr. Sci. S.L. Belopukhov, PhD. I.I. Dmitrevskaya
Russian Timiryazev State Agrarian University, e-mail: [email protected]
Effect of different methods of application of sodium Selenite on the yield and some quality indices of spring wheat varieties Zlata studied under conditions of soil contamination with cadmium. Installed that the greatest impact of selenium on the formation of grain productivity are more affected by presowing treatment of seeds and spraying of vegetating plants by sodium Selenite. In this case, when the seed treatment increased plant yield occurred as a result of increased attraversa ability of the ear, resulting in the improvement of the execution of kernels. When spraying vegetative plants revealed more and more bookmarks and the implementation of the reproductive organs that caused the growth in the number of kernels in ear. It should be noted that the indicators of quality of grain of wheat varieties Zlata largely influenced by the introduction of selenium in the soil. At the same time increased the contents of crude protein, indicating that the restoration processes of nitrogen in plants and its accumulation in grain as well as other processes productive use of nitrogen for protein synthesis.
Keywords: soil cadmium pollution, presowing seeds treatment, plant spraying, spring wheat, yield, quality.
Среди наиболее опасных токсикантов, оказывающих отрицательное действие на объекты окружающей среды, особое место занимает кадмий, относящийся к первому классу опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83). Фоновое содержание кадмия в дерново-подзолистых, серых лесных и черноземных почвах СНГ составляет соответственно 0,25, 0,3 и 0,6 мг/кг, а в почвах мира 0,5 мг/кг [1]. Основными источниками загрязнения окружающей среды кадмием служат металлургические производства, выбросы тепловых энергетических установок, автомобильный транспорт и т.д. [2]. Попадая в почву, кадмий образует хорошо доступные комплексные соединения, ко-
торые интенсивно поглощаются растениями и могут накапливаться в больших количествах в различных органах, в том числе в репродуктивных [3, 4]. Фоновое содержание кадмия в зерне злаковых культур составляет 0,013-0,220 мг/кг сухого вещества. В условиях высокого содержания кадмия в почве его концентрации в различных органах растений возрастали в несколько десятков раз [5]. Фитотоксическое действие кадмия в растениях проявляется в его способности замещать цинк в различных биохимических процессах, в результате чего происходит нарушение интенсивности обмена веществ, ингибируются многие функции фотосинтетической деятельности рас-
тений, транспирация, проницаемость клеточных мембран и т.д. Кроме того, высокие концентрации кадмия в почве способствуют снижению поглощения растениями цинка, меди, селена, фосфора, кальция и т.д. [6, 7]. В тоже время следует отметить, что в некоторых условиях даже высокие концентрации кадмия способствуют повышению урожайности сельскохозяйственных культур, безопасность продукции которых вызывает определенные опасения, так как агрономически ценные органы растений содержат токсические уровни элемента [8-11].
В связи с этим большое практическое значение приобретают исследования относительно поиска путей снижения стрессового воздействия на растения, возникающего в результате загрязнения почвы кадмием. Особый интерес в этом отношении вызывает антиоксидантная роль селена, которая проявляется в результате повышения активности глутатионперок-сидазы (ОРХ) и уменьшения перекисного окисления липидов [12, 13]. В условиях загрязнения почвы тяжелыми металлами защитный эффект селена связан с образованием нетоксичных комплексов Бе-Ме, в результате чего уменьшается негативное действие токсиканта на растения [14]. Учитывая важность влияния селена на формирование продуктивности зерновых культур в условиях загрязнения почвы кадмием, возникает необходимость исследований этого вопроса. Кроме того, мало данных относительно влияния селена на формирование показателей качества зерна в условиях загрязнения почвы кадмием. Это позволит в полной мере оценить фи-тотоксичность токсиканта, а также адаптивную устойчивость к нему яровой пшеницы при применении различных способов внесения селенита натрия.
Цель исследований - изучение влияния селена на формирование урожайности и некоторые показатели качества зерна яровой пшеницы.
Методика исследования. Для решения поставленных задач был заложен вегетационный опыт с яровой пшеницей в вегетационном домике РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. Объектом исследований была яровая пшеница сорта Злата. Закладку эксперимента проводили по методике З.И. Жур-бицкого [15]. Растения пшеницы выращивали в металлических сосудах Митчерлиха вместимостью 5 кг абсолютно сухой почвы. Почва опытов дерново-подзолистая среднесуглинистая, со следующей агрохимической характеристикой: содержание гумуса по Тюрину - 2,9% (ГОСТ 26213-91), рНка - 5,5 (ГОСТ 26483-85); Нг (по Каппену) - 1,3 мг-экв/100 г почвы (ГОСТ 26212-91); Б (по Каппену-Гильковицу) - 12,0 мг-экв/100 г почвы (ГОСТ 27821-88); V -92,5%, Клг - 55-60 мг/кг почвы (ГОСТ 26107-84). Общее содержание селена (флуорометрический метод) и кадмия (атомно-сорбционный метод) составляло 0,32 и 0,43 мг/кг (фоновое содержание) почвы соответственно [16]. Обеспеченность почвы по-
движными формами фосфора и калия (по Кирсанову) составляла 180 (V класс) и 150 (IV класс) мг/кг почвы соответственно (ГОСТ 26207-91). В качестве удобрений применяли NH4NO3, KH2PO4 и KCl из расчета 100 мг/кг каждого элемента.
В опыте моделировали разные уровни загрязнения почвы кадмием, путем внесения раствора азотнокислой соли элемента Cd(NO3)2 из расчета 10 (Cdi) и 50 (Cd2) мг/кг почвы. Селен использовали в виде раствора селенита натрия (Na2SeO3) в концентрации 0,01% тремя различными способами: намачивание семян перед посевом (ПОС), опрыскивание вегетирующих растений растворами солей селена (ОВР) и внесение препаратов селена в почву в дозе 7 мкг/кг почвы (ВП). Контролем служили варианты, где семена обрабатывали дистиллированной водой. Повторность опыта четырехкратная.
Показатели качества зерна яровой пшеницы определяли с помощью методов инфракрасной спектрометрии с использованием прибора NYRSys-tems 4500. Сущность метода заключается в измерении спектра пропускания исследуемого образца в ближней инфракрасной области. Далее из полученных значений происходит количественный расчет необходимых показателей по ранее созданным гра-дуировочным моделям.
После уборки урожая определяли массу зерна и соломы (г/сосуд). Оценивали формирование элементов продуктивности по длине колосьев, числу колосков и зерен в колосе, массе 1000 зерен. Структуру урожая оценивали по коэффициенту хозяйственной эффективности фотосинтеза (Кхоз), который показывает долю зерна по отношению к общей массе надземной части растения. Статистическую обработку результатов опыта проводили однофакторным методом дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову (1985).
Результаты и их обсуждение. Установлено, что использование предпосевной обработки селенитом натрия в контроле (без кадмия) позволило увеличить массу зерна в 1,25 раз (6,41 г/сосуд против 5,09 г/сосуд в варианте без селена). В варианте с опрыскиванием вегетирующих растений селеном прибавка зерна составила 17% (5,99 г/сосуд против 5,09 г/сосуд в варианте без селена). Выявлено также возрастание массы соломы почти в 1,5 раза при обоих способах внесения селена, что привело к уменьшению доли зерна в структуре надземной массы растения. Это подтверждается снижением коэффициента хозяйственной эффективности фотосинтеза, что может быть обусловлено засушливыми погодными условиями, сложившимися в течение вегетационного периода.
Оценка элементов продуктивности показала, что увеличение массы зерна в вариантах с применением предпосевной обработки семян и опрыскиванием вегетирующих растений определялось рос-
1. Влияние селена на урожайность и структуру урожая яровой пшеницы сорта Злата
в условиях высокого содержания кадмия в почве
Вариант опыта Масса, г/сосуд Число, шт/колос Длина колоса, см Масса 1000 зерен, г Кхоз, %
способ применения селенита натрия доза кадмия, мг/кг почвы зерна соломы колосков зерен
без обработки фоновое содержание кадмия 5,09 11,1 8,6 8,1 6,0 27,7 31,4
ПОС 6,41 17,3 10,7 12,4 6,9 23,9 27,0
ОВР 5,99 16,8 10,0 11,0 6,6 21,9 26,3
ВП 4,35 14,7 6,0 8,7 7,0 29,0 22,8
НСР05 0,50 1,5 1,0 0,8 0,5 1,8
без обработки 10 3,19 19,1 3,2 12,6 6,9 17,1 14,3
ПОС 4,92 22,2 5,3 11,4 7,6 20,3 11,8
ОВР 3,54 20,5 12,3 10,0 7,0 28,8 13,1
ВП 4,56 17,2 6,8 9,4 6,8 25,7 21,0
НСР05 0,60 1,2 1,0 0,9 0,6 2,2
без обработки 50 4,01 9,8 7,1 7,7 6,1 22,5 29,0
ПОС 5,22 6,4 8,8 9,9 6,8 26,4 44,9
ОВР 5,88 9,4 11,7 8,6 6,4 22,7 38,5
ВП 4,00 12,8 5,6 7,8 5,6 32,1 23,8
НСР05 0,6 1,4 0,9 0,9 0,6 2,1
Примечание ПОС - предпосевная обработка семян, ОВР - опрыскивание вегетирующих растений, ВП - внесение в почву.
том числа зерен в колосе. Реакция растений пшеницы в этих вариантах на применение селена проявилась также и в увеличении длины колоса и числа колосков в колосе, что и определило его большую озерненность. Однако засушливые условия, сложившиеся во время исследований, нарушили процессы оттока ассимилятов, в результате чего произошло снижение массы 1000 зерен.
При внесении селенита натрия в почву наблюдалось несколько иное действие селена, чем при предпосевной обработке семян и опрыскивании вегети-рующих растений. Выявлено снижение массы зерна в 1,15 раз, что произошло за счет уменьшения озер-ненности колоса в 1,33 раза. Однако действие селена в этом варианте проявилось в активизации процессов оттока ассимилятов из вегетативных органов в генеративные. При этом за счет нарушения процессов закладки цветковых зачатков, а также уменьшения доли реализации цветков в зерна произошло уменьшение количества зерен в колосе.
Высокие дозы загрязнения почвы кадмием существенно влияли на формирование урожайности растений пшеницы. Так, при дозе кадмия 10 мг/кг почвы наблюдалось снижение продуктивности растений на 40%, за счет уменьшения массы 1000 зерен на 39%. Из таблицы 1 видно резкое уменьшение коэффициента хозяйственной эффективности фотосинтеза (Коз. до 14,3% против 31,3% при фоновом содержании кадмия в почве), что свидетельствует об ухудшении структуры урожая за счет снижения доли зерна и увеличения доли соломы. При дозе кадмия 50 мг/кг почвы уменьшение массы зерна составило 22% по сравнению с фоновым содержанием кадмия в почве.
Применение селена повышало устойчивость растений пшеницы к негативному действию высо-
ких концентраций кадмия в почве. Наибольшая эффективность действия селенита натрия при дозе кадмия 10 мг/кг почвы проявилась в варианте с использованием ПОС, при дозе кадмия 50 мг/кг почвы в варианте с ОВР. Показано увеличение массы зерна почти в 1,5 раза. При чем в при ПОС рост зерновой продуктивности обусловлен активизацией аттраги-рующей способности колоса, в результате чего масса 1000 возросла зерен на 18% (до 20,3 г против 17,1 в варианте без селена). В варианте с ОВР увеличение урожая зерна произошло за счет усиления процессов закладки цветковых и колосковых зачатков на конусе нарастания главного побега, что послужило причиной роста количества зерен в колосе.
Внесение селена в почву положительно влияло на урожайность пшеницы сорта Злата только при дозе кадмия 10 мг/кг почвы. Увеличение массы зерна в этом варианте произошло в 1,4 раза за счет улучшения выполненности зерновок.
Загрязнение почвы кадмием привело к изменению показателей качества зерна пшеницы (табл. 2). Так, снижалось содержание сырого протеина 4-5% при обоих уровнях загрязнения почвы кадмием. Уменьшение содержания клетчатки на 24%, а также возрастание содержания сырого жира на 7%, а зольности - на 5% выявлено только на фоне кадмия 50 мг/кг почвы.
Внесение селенита натрия в почву при закладке опыта привело к увеличению содержания сырого протеина в зерне на 8% по сравнению с контролем (без применения селена). Содержание золы возросло на 5%, а клейковины на 9%.
Таким образом, действие селена на урожайность растений пшеницы сорта Злата в условиях загрязнения почвы кадмием зависит от спосо-
2. Влияние различных способов применения селена на показатели качества
Вариант опыта Содержание, %
способ применения селенита натрия доза кадмия, мг/кг почвы сырой протеин сырой жир сырая клетчатка сырая зола
без обработки фоновое содержание кадмия 14,1 1,7 1,7 2,7
ПОС 11,7 1,5 1,7 З,0
ОВР 10,9 1,9 1,8 2,4
ПВ 15,2 1,7 1,9 2,8
без обработки 10 1З,б 1,7 1,7 2,9
ПОС 1З,4 1,б 2,0 2,8
ОВР 1З,7 1,8 1,б 2,9
ПВ 14,8 1,5 2,б 2,7
без обработки 50 1З,4 1,8 1,З 2,8
ПОС 1З,б 1,7 1,б 2,7
ОВР 14,5 1,б 1,9 2,7
ПВ 14,4 1,7 1,7 2,7
НСР05 A 1,1 0,2 0,2 0,2
НСР05 Б, AE 1,З 0,2 0,2 0,З
Примечание: фактор А - применение селена, фактор Б - доза кадмия, АБ - взаимодействие факторов.
нии селенитом натрия усилило процессы закладки и реализации репродуктивных органов, что послужило причиной роста озерненности колоса. Следует отметить, что на показатели качества зерна пшеницы сорта Злата в большей степени влияло внесение селена в почву. При этом возросло содержание сырого протеина, что свидетельствует о восстановлении процессов поступления азота в растения и его накопления в зерне, а также процессов продуктивного использование азота в синтезе белка.
ба применения селенита натрия. Выявлено, что на формирование зерновой продуктивности в большей степени влияют предпосевная обработка семян и опрыскивание вегетирующих растений. При дозе кадмия lO мг/кг почвы наилучшее действие выявлено при использовании предпосевной обработки семян. В этом варианте увеличение урожайности растений произошло в результате активизации аттрагирующей способности колоса, что обусловило улучшение выполненности зерновок. При дозе кадмия SO мг/кг почвы опрыскивание вегетирующих расте-
Литература
1. Овчаренко М.М. Тяжелые металлы в системе почва - растение - удобрение. - М.: Изд-во Пролетарский светоч. 1997. - 290 с.
2. Aлексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л: Aгропромиздат, 1987. - 142 с.
3. Зубкова В.М., Зубков Н.В. Химический состав растений при загрязнении почвы тяжелыми металлами. Монография. - М.: Издательство РГСУ, 201З. - 148 с.
4. Benavides M.P., Gallego S.M., Tomaro M.L. Cadmium toxicity in plants II Braz. J. Plant Physiol., 2005, vol. 17, no. 1. Londrina. - P. 21-З4.
5. Ильин В.Б., Сысо A. И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. -Новосибирск: Изд-во СОРAH, 2001. - 290 с.
6. Балахнина Т.И., Кособрюхов A.A. Влияние кадмия на CO2-газообмен, переменную флуоресценцию хлорофилла и уровень антиоксидантных ферментов в листьях гороха II Физиология растений, 2005, т. 52. - С. 21-2б.
7. Серегин И.В., Иванов В.Б. Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения II Физиология растений, 2001, т. 48. - С. б0б-бЗ0.
8. Потатуева Ю.В. Влияние кадмия на урожай сельскохозяйственных культур и накопление этого элемента в почвах и растениях II Aгрохимия, 1998, № З. - С. 5З-б1.
9. Степанок В.В. Влияние соединений кадмия на урожай и элементный состав сельскохозяйственных культур II Ai-рохимия, 1998, № 6. - С. 74-79.
10. Черных НА., Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости растений: монография. - СПб: Санкт-Петербургский ГУ, 2002. - 244 с.
11. Убугунов В.Л. Оценка фитотоксичности кадмия в каштановой почве II Вестник Крас. TAy, Почвоведение, 2010, № 5. - С. 1З-17.
12. Hasanuzzaman M., Hossain A., Fujita M. Selenium in higher plants: physiological role, antioxidant metabolism and abiotic stress tolerance II Journal of Plant Sciences, 2010, vol. 5. - Р. З54-З75.
13. Cartes P., Gianfera L., Mora M.L. Uptake of selenium and its antioxidative activity in ryegrass when applied a sele-nate and selenite forms II Plant Soil, 2005, vol. 27б. - Р. З59-Зб7.
14. Kuznetsov Vl.V. Plant under environmental stress II Acta Physiol. Plant., 2004, vol. 2б. - Р. 5-б.
15. Журбицкий З.И. Теория и практика проведения вегетационных опытов. - М.: Наука, 19б8. - 2бб с.
16. Практикум по агрохимии I Под ред. акад. РAСХH В. Г. Минеева. - М.: Изд-во МГУ, 2001. - б89 с.
