Влияние хелатной формы цинка на накопление биомассы растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В современном земледелии наряду с использованием известных минеральных макро- и микроудобрений идёт поиск новых форм удобрений и способов их использования. Среди трофических веществ важную роль играют микроэлементы, в частности, цинк. Для успешного применения минеральных цинковых удобрений необходимо изучение взаимосвязи микроэлемента с обеспеченностью почвы питательными элементами, с уровнем плодородия. Также представляется интересным сопоставить действие разных концентраций новых удобрений с микроэлементами и сравнить разные формы микроудобрений (минеральные соли и органические соли). Не менее важным является определение баланса минеральных элементов, поступающих с удобрениями, что отражает метаболическую взаимосвязь биофильного цинка и основных элементов питания растений.

Недостаток цинка, равно как и его избыточные концентрации (вследствие токсичности данного элемента), отрицательно влияет на развитие растений. Следовательно, применение микроудобрений требует выявления оптимальных концентраций цинка. Следует также учитывать взаимосвязь цинка с такими элементами минерального питания, как азот, фосфор и калий; явления антагонизма и синергизма ионов имеют большое значение при составлении оптимального баланса макро- и микроудобрений. Наряду с трофическими, цинк выполняет и регуляторные функции; установлено влияние цинка на гормональный статус растений, в частности, на активность некоторых групп эндогенных фитогормонов.

В настоящее время много внимания уделяется современным разработкам и внедрением их в производство. Одной из таких разработок является применение хелатных форм металлов в микроудобрениях. Известно, что хелатированный метал гораздо проще усваивается растениями, меньше подвержен иммобилизации.

Целью данной работы являлось изучить влияние хелатной формы цинка на накопление биомассы растений, их продуктивность и поступление основных элементов питания (азота, фосфора, калия) в растения, с учетом агрохимического фона.

В задачи исследования входило:

1. изучить влияние разных концентраций хелатной формы цинка на биомассу ячменя

2. определить уровень минерального питания, на котором максимально проявляется эффект исследуемого вещества (цинка);

Для выполнения поставленной задачи изучались следующие показатели:

· влияние цинка на накопление биомассы растений;

· влияние цинка на аккумуляцию растениями основных элементов минерального питания (азота, фосфора, калия);

· влияние цинка на продуктивность растений;

· влияние цинка на данные показатели с учетом фаз вегетации.

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. Цинк как элемент минерального питания растений. Трофические и регуляторные функции цинка

В растительном организме существует несколько эволюционно сформировавшихся систем регуляции, в том числе гормональная и трофическая. Среди трофических веществ важную роль играют микроэлементы, в частности, цинк. Первые сведения о цинке как необходимом элементе питания растений были получены во второй половине XIX века. В 1869г. французский ученый J. Raulin выявил необходимость цинка для жизнедеятельности гриба Aspergillus niger. В 1872г. К.А.Тимирязев установил, что внесение цинка способствует устранению хлороза у растений. В 1926г. А.Зоммер и С.Липман доказали необходимость цинка для высших растений. В процессе дальнейших исследований выяснилось, что цинк необходим для нормального развития таких культур, как кукуруза, подсолнечник, гречиха, ячмень, бобовые. Исследования, проведенные в США, показали, что внесение цинка на почвах, где наблюдается его дефицит, положительно сказывается на развитии растений. Так, в штате Флорида, на почвах, бедных цинком, наблюдалось массовое заболевание растений кукурузы (побеление верхушек). Внесение цинка не только устранило симптомы заболевания, но и способствовало повышению урожая на 35-74%. В СССР первые исследования влияния цинковых удобрений на развитие сельскохозяйственных культур были начаты в конце 30-х гг. (Анспок, 1990).

В почвах различают водорастворимые, обменные, легкорастворимые (непрочносвязанные), кислоторастворимые, фиксированные и прочно фиксированные формы цинка. Растениям доступны растворимые формы цинка; чем больше их в почве, тем больше цинка поглощается растениями. Корни растений поглощают Zn2+ (максимально подвижную форму цинка) и гидратированные формы цинка, а также комплексные ионы и Zn-органические хелаты. В кислых дерново - подзолистых почвах содержание подвижных форм цинка выше (0,12-20 мг/кг), чем в почвах с близкой к нейтральной и щелочной реакцией среды. В черноземах, сероземах, каштановых и бурых почвах содержание подвижных форм цинка обычно не превышает 0,25 мг/кг (Битюцкий, 1999).

Среднее содержание цинка в растениях 15-22 мг/кг сухого вещества. В целом оно колеблется в пределах от 1,2(яблоки) до 73(салат) мг/кг сухого вещества (Кабата-Пендиас, 1989). Верхняя критическая концентрация цинка в растениях - 300 мг/кг сухого вещества. Из органов растений повышенным содержанием цинка отличаются листья, генеративные органы и точки роста.

Цинк является катализатором и активатором многих процессов в жизни растений(Steven N., et al., 2001).

Он входит в состав фермента карбоангидразы, катализирующего гидратацию CO2 и играющего важную роль в поддержании запасов CO2 для процесса фотосинтеза. Цинк входит в состав энзимов, принимает участие в белковом, липоидном, углеводном, фосфорном обмене веществ, биосинтезе витаминов и ростовых веществ. Некоторые генотипы растений способны поддерживать нормальный уровень роста и урожайности при низком содержании цинка в почве; данное явление называется эффективностью цинка (ЭЦ). Некоторые исследования показали отсутствие связи между ЭЦ и количеством цинка, поглощенного корнями, транспортом цинка в побеги или аккумуляцией цинка побегами. Однако, биохимические функции цинка, включая способность поддерживать активность цинксодержащих ферментов в зависимости от содержания цинка, могут быть важным компонентом ЭЦ (Steven et al., 2001). Критический уровень дефицита цинка в листьях растений оценивается как 15-20 мкг цинка на 1 г сухой массы. Известно, что у Zn- эффективных и неэффективных растений концентрации цинка в листьях одинаковы при условиях, когда только Zn- неэффективные растения испытывают явный дефицит цинка; таким образом, внутренняя утилизация цинка является важным механизмом ЭЦ (Rengel, Graham, 1995).

В качестве кофактора цинк участвует в синтезе фитогормона ауксина (ИУК), влияя, таким образом, на темп роста растений; в условиях дефицита цинка уровень ИУК в тканях растений уменьшается. Цинк улучшает водоудерживающую способность растений, повышает их устойчивость к засухе, бактериальным и грибковым заболеваниям (Harsharn, et al., 2001).

Цинк широко распространен в природе, его среднее содержание в земной коре составляет около 83 мг/кг, а в поверхностных слоях почв изменяется от 17 до 125 мг/кг. Однако среди неблагоприятных абиотических факторов, связанных с минеральным питанием, недостаток цинка является одним из наиболее распространенных лимитирующих факторов для урожайности; он характерен для 30% почв в мире (рис.1).

Рисунок 1. Zn - дефицитные почвы мира

На территории Российской Федерации дефицит цинка характерен для 95,5% почв. Недостаток цинка вызывает серьезные физиологические расстройства (нарушение углеводного и фосфатного обмена, уменьшение содержания сахарозы и крахмала, распад белков), повышает проницаемость мембран, что приводит к накоплению в растении токсических концентраций фосфора, бора и хлоридов, приводит к резкому торможению роста и развития растений. Характерными внешними признаками недостатка цинка являются заторможенный рост, короткие междоузлия, маленькая поверхность листа, хлороз. Рост побега обычно подавляется больше, чем рост корней; урожай семян снижается больше, чем вегетативных органов (рис.2).

Рисунок 2. Симптомы дефицита цинка у фасоли

Симптомы дефицита наблюдаются (для ряда растений), если содержание цинка в органах растений не превышает 15 мг/кг сухой массы (Битюцкий, 1999). Недостаток цинка проявляется прежде всего на карбонатных, сильно известкованных почвах, где мало подвижного цинка. Разные виды растений, а также генотипы отдельных видов проявляют различную, генетически обусловленную степень толерантности к дефициту цинка. К недостатку цинка особенно чувствительны плодовые деревья, а также бобы, кукуруза, соя, фасоль, хмель и лен; менее чувствительны картофель, томаты, лук, люцерна, просо, свекла, красный клевер; совсем не реагируют овес, пшеница, горох, спаржа, горчица, морковь (Кабата-Пендиас, 1989). Некоторые растения, например, Thlaspi caerulescens (ярутка), способны извлекать цинк из малодоступных источников в почве и накапливать его значительные количества (до 1-2%).

С явлением дефицита цинка можно бороться путем применения удобрений, но при этом необходимо учитывать, что цинк относится к приоритетно токсическим элементам (наряду с Hg, Cd, Pb, Cr, Cu, Ni и As), поэтому его избыток также может привести к губительным последствиям. Следовательно, при применении микроудобрений очень важную роль играет оптимальная концентрация микроэлемента. Так, при внесении сульфата цинка на темно-каштановой среднесуглинистой почве значительное увеличение высоты и биомассы проростков яровой пшеницы наблюдалось при дозе цинка 125 мг/кг почвы. При дозах цинка 250-1500 мг/кг, напротив, наблюдалось угнетение роста проростков (Панин, Касымова, 1999).

Цинк влияет не только на ход физиологических процессов, но и на гормональный баланс растений, в частности, на активность некоторых групп эндогенных фитогормонов. Опыты с растениями картофеля (Король и др., 2001) показали, что внесение сульфата цинка в сочетании с экзогенными фитогормонами на фоне оптимального минерального питания значительно повышает содержание в листьях растений цитокининов, зеатина и его рибозидов, но снижает содержание абсцизовой кислоты. Помимо этого, совместное действие цинка и регуляторов роста оказало положительное влияние на интенсивность физиологических процессов и продуктивность растений. Влияние сульфата цинка изучалось также на примере растений картофеля, выращенных в вегетационных условиях на почве, дефицитной по цинку; посадочные клубни обрабатывались раствором сульфата цинка (Пузина, 2004). Обработка ZnSO4 изменила гормональный баланс в сторону существенного повышения содержания цитокининов, способствовала увеличению массы клубней в кусте, увеличила интенсивность дыхания и фотосинтеза.

Таким образом, цинк не только играет важную роль в минеральном питании растений, но и влияет на их гормональную систему. При этом необходимо учитывать, что положительное действие цинка в полной мере проявляется на фоне оптимального минерального питания в целом. Особенно важную роль играет содержание фосфора, так как при повышенном содержании фосфатов в почве снижается доступность цинка растениям за счет образования труднодоступных соединений. Возникает так называемый индуцированный недостаток одного элемента, обусловленный избытком других (Тома, Великсар, 1991). Основной причиной индуцированного недостатка элементов является нарушение доз и соотношений элементов во вносимых удобрениях. Возникающий дисбаланс влечет за собой цепь изменений в метаболизме растений, вызывает замедление роста и прочие нарушения. Следовательно, для успешного совместного применения макро- и микроудобрений необходимо не только выявление оптимальных концентраций цинка вследствие его токсичности, но и установление оптимальных доз и сочетаний азотно-фосфорно-калийных удобрений.

Агрохимические приёмы позволяют регулировать уровень дефицита микроэлементов за счет ряда механизмов, которые связаны как с поведением микроэлемента в почве, так и физиологических особенностей растения. В настоящее время к этим приёмам прибегают и в связи с высокой концентрацией элементов, когда создаются условия накопления токсичных концентраций его в растениях и загрязнения почв и водоёмов (Stephend, Dleonv 1998)

Рассматриваются в связи с этим и возможности прибегать к способам фиторемедиации - регуляции избыточных концентраций того же цинка с использованием растений - гипераккумуляторов (Kumur et.al., 1995; Salt et.al.,1995).

Так факультативный галофит Mesembryunhemum crystaltinum L. (хрустальная травка) обнаружила способность успешно расти в водной культуре при высоких концентрациях солей Zn. Несмотря на то, что торможение роста наблюдалось при концентрации 800мкМ ZnSO4, это не препятствовало завершению онтогенеза и формированию жизнеспособных семян. При этом в листьях аккумулировалось более 1700мкг цинка на 1г сухой массы. Существенный размер выноса цинка с надземной массой - до 500мкг Zn в расчете на растение - позволяют рассматривать Mesembryunhemum crystaltinum L. как перспективной для фиторемедиации вид (Холодова и др., 2005).

2. Хелатная форма цинка

Цинк может быть ограничивающим фактором для роста растений. Реакция зерновых на внесение цинковых удобрений меняется в зависимости от источника цинка и почвенных физико-химических свойств . Из цинковых удобрений для устранения дефицита цинка главным образом использовались неорганические соли, синтетические хелаты, естественные органические комплексы, и неорганические комплексы. Несколько авторов сообщили о том, что хелаты цинка более эффективны, чем неорганические формы цинка (Prasad B., et al. 1976). В соответствии с Андерсоном эффективность воздействия Zn-ЭДTA и Zn-ДTПA на рост превосходит таковую у ZnSO4 как источника цинка (Anderson W. B. 1972). Андерсон сообщает, что относительная эффективность различных форм цинка сказываются на росте урожая в следующем порядке: Цинк-DTPA > Цинк-EDTA > Цинк-EDDHA > ZnSO4> Цинк-Rayflex (полифлавонид). Рико нашел, что внесение цинк-EDTA и цинк-лигносульфоната привело к большим увеличениям сухой массы урожая кукурузы, по сравнению с неорганическими источниками.

Цинк может быть найден в следующих формах в почвах:

(I) свободные и комплекcные ионы в растворе почвы, (II) специфично и неспецифично адсорбированные катионы, (III), ионы карбонатов почвы и гидроксидов, (IV) в биологических остатках и живых организмах, и (V) в структурной решетке первичных и вторичных полезных минералов (Emmerich , et al. 1982).

Фракции металлов в почвах могут быть классифицированы так: водорастворимая, обменная, легкорастворимая, кислоторастворимая, фиксированная, прочнофиксированная формы цинка. Доступность Zn растениям управляется скорее динамическим равновесием между различными формами, чем общим содержанием катиона в почвах (Elsokkary I. H., et al. 1978). Растениям доступны растворимые формы цинка. Корни растений поглощают Zn2+ (максимально подвижная форма), в том числе и гидратированную форму, а также комплексные ионы и Zn-органические хелаты.

Стабильность химической связи металл - хелата способствует увеличению количества хелатного металла, доступного растениям. Хелаты - единственные вещества в почве, в которых скорость замещения хелатного металла на другие катионы достаточно низкая.

При применении хелатных форм удобрений необходимо учитывать такие факторы, как устойчивость и подвижность комплексов. Среди факторов, которые решительно влияют на подвижность, и экстрагируемость Zn - pH и концентрация CaCO3 (Adriano, 1986).

В известкованных почвах в случае внесения в качестве цинкового удобрения в виде растворимой неорганической соли цинк фиксируется и выщелачивается, если это - устойчивый комплекс. Подвижность тяжелых металлов в почвах может анализироваться использованием почвенных колонок (Emmerich W. E., et al. 1982). Использование этого метода позволяет изучить перемещения и распределения Zn в почве. Сопоставление между гранулированными удобрениями и не гранулированными показывает, что внесение первых улучшает действие Zn- EDTA, уменьшая выщелачивание и увеличивая количество доступного Zn.

растение метаболизм цинк удобрение ячмень

3. Аккумуляция цинка (и факторы её изменяющие)

Подвижность цинка на глубине зависит от текстуры почвы (грансостава). Движение цинка, включенного в почвенный раствор, тесно связано с проницаемостью профиля. Отмечено большее влияние на проницаемость структуры почвы, чем грансостава.

Измерение общего содержания цинка в почве не дает точную информацию о количестве этого микроэлемента в форме, доступной растениям. Распределение металлов по различным фазам и формам, в которых они могут находиться в почвах, может быть определено путем однократного или последовательного выделения.

Когда в почву вносится концентрированный раствор цинкового удобрения, химический состав почвенного раствора резко меняется и изменяется химическая доступность цинка как питательного вещества. Миграция и вымывание различных питательных веществ обычно контролируется с помощью почвенного профиля методом почвенных колонок (Harsharn et al., 1997).

Цинк в почве имеет глубокий эффект на рост корня. Целесообразность использования цинка, связанная с урожайностью семени масличной культуры доказана и рассмотрена на разных уровнях обеспеченности не только цинком, но и другими элементами питания. И в этом случае генотипы растений масличных отличающиеся по ответу на уровень цинка, реагируют и на другие элементы питания в почве (Harsharn et al., 1997).

На модели ценоза яровой пшеницы показано, что величина оптимальной концентрации питательного раствора меняется и влияет на роль микроэлемента цинка в зависимости от внешних условий (сезона года, интенсивности ФАР, температуры раствора). Эксперименты выполнены в условиях водной культуры с основными элементами питания в среде - 29:13:59 (N:P:K). Предполагалось, что при низких концентрациях ионов около 1мМ переносчики ионов или ионные насосы системы поглощения I функционируют с максимальной скоростью, а с повышением концентрации ионов более 10мМ активная система поглощения I должна уступать пассивной системе поглощения II (Булгакова, Ниловская, 2006). Это весьма существенно для понимания поведения цинка в агроценозе.

Некоторые авторы изучали накопление Сu, Zn, Cd и Pb 2-недельными растениями ячменя (Hordeum vulgare L. сорт Зазерский 85) из двух типов почв при различном рН и внесении возрастающих доз одного из основных элементов питания - Кх (0, 50, 100 и 200 мг К/кг почвы). Значение рНКС1 дерново-подзолистой песчаной почвы в условиях опыта изменялось в интервале 5.8-4.1, торфяной низиной - от 6.7 до 6.4. Подкисление дерново-подзолистой почвы мало влияло на концентрацию Сu и Pb в растениях, тогда как накопление Zn и Cd возрастало в 1.7-2.4 и 6.9-13.5 раза соответственно. Меньшая кратность различий соответствовала лучшей обеспеченности почвы К. Внесение же Кх снижало влияние кислотности почвы на корневое поглощение металлов в 1.5-2 раза. Обсуждается зависимость между формами тяжелых металлов в почве, их коэффициентами накопления и величиной биомассы растений (Суслина и др., 2006).

Активная физиологическая (процесс поглощения) и синтетическая (экзоосмос) деятельность корневой системы растений, а также прикорневой микрофлоры способствует процессам аккумуляции и мобилизации цинка ризосфере. Интенсивность данных процессов в ризосфере зависит от различных факторов: вида растения, типа почвы, степени ее загрязненности и др.

Массопоток Zn и Рb в системе почва-сельскохозяйственная культура очень небольшой: в опытах на фоновых вариантах в фитомассе накапливается п х 10-п X 100 г металла/г, или около 0.1 % от его валового количества в почве. Из загрязненной почвы по сравнению с фоном поступление Zn и Рb в растения увеличивается в десятки-сотни раз, однако большая часть поллютантов (до 95% от суммарного содержания в надземной и подземной фитомассе ) задерживается в корнях. В основной же продукции обнаруживаются лишь сотые-тысячные доли процента от наличия металлов в почве, что в абсолютном выражении часто оказывается меньше величины гигиенического норматива (ДОК). Явное несоответствие потоков техногенных поллютантов в почву и из почвы в растения (особенно в основную продукцию сельскохозяйственных культур) указывает на несостоятельность использования нынешних ПДК (ОДК), ориентированных на валовое количество металлов в почве, для оценки экологической ситуации в агроценозах (Ильин, 2006).

Анализируя принципиальный подход к оценки токсичности цинка, по-видимому, можно ориентироваться на следующие цифры: 300-500мг/кг при выращивании растительной продукции (не листовой), 70мг/кг - для животного корма, т.к. вегетативная часть растений является основным рационом животных, 23 мг/кг - влияние выражено на почвенную микрофлору и ферментативную активность. Основным условием должно являться не превышение нормативов в продукции при загрязнении почвы. Очень важно учитывать фазу развития растений при определении в них ТМ. Уровень Zn и Cd к моменту уборки в листьях свёклы снизился в 3-5 раз (Алексеев, 1987).

Пороговые концентрации по цинку следующие - 70 мг/кг - патологическое воздействие через корм на сельскохозяйственных животных (Ковальский, 1973); 23 мг/кг - ПДК (ГН 2.1.7.2041-06); 500мг/кг (Гринь, 1980); 300мг/кг (Kloke , 1980);

Большое количество растений чувствительно к недостатку цинка. Зерновые культуры относятся к слабочувствительным и нечувствительным к дефициту цинка. Цинк обладает слабой фитотоксичностью, которая начинает обнаруживаться 400-700 -2000кг/га. Признаки токсичности, обычно начинают проявляться, когда концентрация цинка в нём достигает 300-500мг/кг сух.в-ва. Обычно содержание цинка в бедных хлорофиллом растениях -7-27мг/кг сух.в-ва, а богатых хлорофиллом - 40-95мг/кг. Содержание в злаковых зерновых культурах меньше, чем в бобовых.

При комплексном загрязнении почв ТМ необходимо использовать критерий для оценки потенциальной опасности, например, суммарной фитотоксичности.

Можно наблюдать при загрязнении растений изменения в их основных структурных элементах (Shukla, Raj, 1980), что приводит и к изменению концентраций фосфора в растениях (цинк - 46мг/кг приводит к снижению фосфора в растениях голубиного гороха.

Проникновение металлов в растения зависит от функций организма, т.е. элементы, которые входят в состав жизненно важных соединений, потребляются растением избирательно. Однако все элементы преодолевают пектоцеллюлозную мембрану клеточной оболочки, цитоплазматическую мембрану, толщу цитоплазмы и вакуольную мембрану (по градиенту концентраций - диффузный поток). Активный метаболический перенос - пиноцитоз. Однако, регулирование растением поступления металлов имеет место только при оптимальном питании растений, из уравновешенных растворов (не высокой концентрацией минеральных веществ). При повышенных концентрациях равновесные процессы регуляции в значительной степени подавляются. Поступление веществ уже может регулироваться транспирацией и др. экзогенными изменениями, и в частности уровнем концентрации питательных элементов, а так же их избирательным взаимодействием с исследуемым элементом, в данном случае, с цинком.

Апоплазматический путь - по свободному пространству клеточных оболочек и межклеточников, по принципу диффузии. Этим путём могут поступать и не нужные для метаболизма элементы. Вероятность их поступления этим путём возрастает c увеличением их концентрации.

Симплазматический - между клетками по плазмодесмам - носит избирательный характер. Биологический фильтр - поступление в вегетативную массу - первый путь, а репродуктивные органы - второй путь.

В связи с этим влияние цинка и его поступление во многом зависит от фазы развития ратсения.

II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом наших научных изысканий является агрохимикат «Рексолин Zn 15». «Рексолин Zn 15» представляет собой стабильный, водорастворимый и непылящий хелат цинка. Агрохимикат «Рексолин Zn 15» применяется для подкормки любых культур в течение всего периода вегетации через системы капельного полива, дождевальные установки, посредством некорневых подкормок и как корневая подкормка в почву или гидропонику (Табл. 1). Применение настоящего агрохимиката распространено на все виды растений. Дозы, способы и сроки его внесения рассчитываются в зависимости от потребностей выращиваемой культуры, влияния удобрений на качество продукции и местных условий.

Таблица 1. Рекомендуемые регламенты применения агрохимиката

Наименование препарата	Культура	Доза применения препарата	Время, особенности применения
Рексолин Zn 15	Тепличные культуры	0,1-0,5 г/л Расход раствора 200-1000 л/га	Некорневая подкормка на основании результатов агрохимических анализов
		1-2,5 г/ 1000л	Корневая подкормка (внесение через различные системы полива)
	Культуры открытого грунта	0,05-1 кг/га максимальная концентрация рабочего раствора 0,1% Расход раствора 200-1000 л/га	Некорневая подкормка 1-4 раза с интервалом 1-2 недели

Характеристика препарата отвечает техническим условиям (Табл. 2)

Таблица 2. Фактическое и нормативное содержание основных компонентов агрохимиката

Показатель	Фактическое	Спецификация
рН (1% раствор)	6 - 7	6-7
Содержание цинка, (Zn)%	14,8	не менее 14,5
Уровень хелатирования	Полный	Полный

Экологическая характеристика препарата соответствует допустимым нориативам (табл. 3).

Таблица 3. Содержание токсичных химических соединений (элементов) в агрохимикате

Соединение, Элемент	Содержание, мг/кг	Уровень загрязнения
Мышьяк Свинец Кадмий Ртуть	0,868 <0,5 31,8 0,052	Допустимый -//- -//- -//-
Цезий-137 Стронций-90 Калий-40 Радий-226 Торий-232 Эффективная удельная активность природных радионуклидов	3,1Бк/кг <10 Бк/кг 60 Бк/кг 2,2 Бк/кг 1,7 Бк/кг 11,5 Бк/кг	Допустимый -//- -//- -//- -//- -//-

Опытные варианты, согласно схеме исследования предусматривали оценку эффективности микроудобрения «Рексолин Zn 15» с культурой ячмень (Hordeum vulgare) сорта «Нур». Вышеуказанный сорт внесен в государственный реестр с 2002 года и является выдающимся по величине потенциальной урожайности. Сорт характеризуется высокой адаптивностью к условиям возделывания, хорошими фуражными и пивоваренными качествами зерна. Так же к достоинствам этого сорта можно отнести:

· Высокая урожайность и репродуктивность семян

· Сорт сильно кустится и практически не полегает

· Засухоустойчив и мало требователен к теплу

· Хорошие качественные показатели зерна: содержание белка до 12%, экстрактивность - до 82%, пленчатость - 8-9%, выравненность зерна 90%, прорастание - на 5-й день - 89%

· Слабовосприимчив к поражению пыльной головней, гельминтоспориозными пятнистостям вследствие введения гена Run 15.

Данный сорт ячменя относится к среднеспелым, его вегетационный период составляет 67-86 дней.

Выращивание ячменя производили на дерново-подзолистой, среднесуглинистой почве со следующей агрохимической характеристикой: pHKCl - 5,8; подвижный K2O - 65мг/кг, P2O5 - 80 мг/кг, содержание гумуса 2,0%.

Схема опыта включала вариации с внесением разных концентраций цинка и разные уровни минерального питания растений (табл. 4).

Исследовали две концентрации цинка: 5 мг/кг - рекомендованная доза по этому препарату и 25 мг/кг - доза, чтобы оценить действие избытка цинка на развитие растений. Разные уровни минерального питания, N(PK)0,5 и 2NPK, были созданы внесением в почву следующих солей: KCl, NH4NO3, CaH2PO4 из расчета N100P50K50 и (двукратное их увеличение) N200P100K100 мг д.в./кг почвы в сосуд. Повторность каждого варианта в 4-х кратна.

В процессе вегетации за растениями проводили уход.

Отбор образцов проводили в 3 этапа. В задачи исследования входило оценить влияние цинка в совокупности с другими агрохимическими факторами на рост и развитие растений в разные фазы онтогенеза.

Опыт 1 (2007г.).

1-й этап отбора образцов выполнен в фазу формирования 3-х листьев.

2-й этап отбора образцов совпал с фазой активного кущения.

Опыт выполнен с разными концентрациями цинковых удобрений и на одном типе почв, но с разной обеспеченностью основными элементами питания.

Опыт 2 (2008г.).

3-й этап - отбор образцов в фазу восковой спелости, выполнен на варианте с высокой дозой цинкового удобрения и на фоне высокой обеспеченности питательными элементами.

Таблица 4. Схема опыта

Вариант	Контроль	N(PK)0,5	2NPK
Контроль	4	4	4
Zn 5мг/кг	0	4	4
Zn 25мг/кг	0	4	8

Примечание: Цифрами обозначено число сосудов в вегетационном опыте

Были отобраны как почвенные, так и растительные (зелёная масса и колос) образцы. Растительные образцы взвешены и зафиксированы.

После сбора образцов нами была проведена предварительная подготовка к анализу, которая включала высушивание и измельчение образцов.

После подготовки образцов были произведены химические анализы.

Одним из этапов практической работы являлось определение содержания цинка в почвенных образцах. Нами были приготовлены 1н HCl вытяжки для определения в них содержания Zn методом атомно- абсорбционной фотометрии.

В высушенных и измельченных растительных образцах определяли N, P, K. Для определение процентного содержания азота фосфора и калия в растительных образцах выполнено мокрое озоление согласно следующей методики:

Навеску растительного материала помещали в колбы Кьельдаля. В колбы вносили по 10 мл H2SO4 и по 0,4 мл хлорной кислоты. Обработанные таким образом образцы оставляли на ночь и на следующий день озоляли до полного обесцвечивания. Затем полученный раствор переносили в мерные колбы на 100 мл и доводили до метки дистиллированной водой.

Определение растворимого фосфора проводили с окрашиванием по Дениже и фотоколориметрическим окончанием.

Определение калия проводили на пламенном фотометре. (Практикум по агрохимии, 2002, 617 с.)

Также в растительных образцах определяли общий азот методом Кьельдаля. Все полученные результаты были статистически обработаны. Определяли корреляционную связь и НСР с критерием достоверности 95%.

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

IV.1. Влияние цинкового удобрения на формирование биомассы ячменя

Согласно существующим данным (Минеев, 2005) влияние созданного уровня минерального питания неоспоримо влияет на результаты по биомассе соломы и урожаю зерна (табл. 5-6). Изменения по этим показателям отмечаются как в ходе вегетации растения (рис.3), так и на стадии уборки урожая. Причем на стадии восковой спелости, т.е. в период уборки и учета вегетационного опыта проявляются связи в зависимости от уровня обеспеченности питательными элементами, как на общей биомассе растений, так и на биомассе зерна (рис. 3).

В ходе исследований представилось важным оценить влияние цинка на структуру урожая. Установлено, что избыток цинка пагубно влияет на налив зерна. Масса зерен одного растения на варианте без внесения цинкового препарата в 1,5 раза больше массы зерен на варианте с 5-и кратным превышением рекомендуемой дозы. Концентрация цинка в почве, соломе и зернах ячменя при внесении «Рексолин Zn 15» в превышенной дозе близка к ПДК.

Таблица 5. Динамика изменения биомассы в зависимости от уровня минерального питания и дозы Zn по фазам вегетации

№	Варианты	Концентрации	Сроки отбора образцов	Средний вес сырой биомассы	Сухая биомасса г/сосуд	Средний вес сухой биомассы	Стандартное отклонение	Средняя биомасса одного растения	Стандартное отклонение
1	КОНТРОЛЬ		1	5,7	1,052	0,613	0,833	0,428	0,177	0,059
			2	8,4	1,586	1,29	1,438		0,261
2	N(PK)0,5	N=100 P=50 K=50	1	5,4	0,626	1,09	0,858	0,365	0,169	0,059
			2	7,8	1,313	1,435	1,374		0,253
3	N(PK)0,5+Zn	5 мг/л	1	4,1	1,093	0,405	0,749	0,281	0,159	0,063
			2	5,3	1,129	0,698	0,914		0,275
		25 мг/л	1	3,6	0,286	0,87	0,578		0,144
			2	7,4	1,22	1,256	1,238		0,146
4	2NPK	N=200 P=100 K=100	1	5,6	1,101	0,649	0,875	0,086	0,218	0,083
			2	5,2	1,512	0,481	0,997		0,335
5	2NPK+Zn	5 мг/л	1	4,9	1,079	0,454	0,767	0,267	0,211	0,079
			2	6,9	1,623	0,843	1,233		0,373
		25 мг/л	1	6,0	1,409	0,451	0,930		0,230
			2	7,2	1,476	1,212	1,344		0,336

Таблица 6. Влияние цинкового удобрения на урожай ячменя

Варианты	Кол-во зерен, шт.	Масса зерен, г	Масса 1000 зерен
NPK	93	4,36	46,5
NPK+Zn	76	3,09	39,1
НСР 0,05		0,96

Рис. 3. Зависимость биомассы ячменя от уровня минерального питания по фазам вегетации

Рис. 4. Зависимость биомассы соломы и зерна ячменя от уровня минерального питания

После окончания практической части, после проведения всех интересующих нас опытов и определений мы смогли выявить некоторые закономерности по действию хелатной формы цинкового удобрения «Рексолин Zn 15» на формирование растений ячменя и его урожай. Что касается уровня минерального питания, то он оказывает очевидное влияние на оптимизацию используемой (эффективной) дозы цинкового удобрения.

Что же касается вариантов с внесением удобрения «Рексолин Zn 15» то здесь у нас вырисовывается несколько другая картина, т.е. цинковое микроудобрение не всегда проявляет положительное действие, что существенно зависит от дозы самого удобрения и от фона обеспеченности почвы другими элементами питания.

Здесь мы можем отчетливо увидеть, как двойная доза цинкового удобрения на низком уровне минерального питания вызывает угнетение роста как в начальный период (рис.5) так и во второй период (рис.6) отбора растительных образцов. При низком уровне минерального питания цинк проявляет себя как токсичный элемент, так как его содержание в почве при таком уровне минерального питания является достаточно высоким (Табл.7). На высоком уровне минерального питания в фазу 3- х листьев при меньшей дозе - 5 мг/кг, наблюдается явная стимуляция роста в биомассе растения (рис.5). В период активного кущения уже начинает проявляться угнетение роста растений и на высоком уровне питания при испытании максимально допустимой дозы цинка или минимальной испытуемой нами концентрации - 5 мг/кг (рис. 6).



Рис. 5. Изменение биомассы ячменя в фазу 3-х листьев в зависимости от концентраций испытуемых элементов

Рис. 6. Изменение биомассы ячменя в фазу кущения в зависимости от концентраций испытуемых элементов

Таблица 7. Содержание цинка в почве и растениях

Варианты	Концентрации	Период отбора образцов	Концентрация цинка в растениях, мг/кг	Вынос с биомассой, мкг/г	Концентрация цинка в почве, мг/кг
N(PK)0,5	N=100 P=50 K=50	1	87	14,7	12
		2	57	14,4	20
N(PK)0,5+Zn	5мг/л	1	89	14,2	18
		2	88	24,2	22
	25 мг/л	1	97	14,0	33
		2	112	16,4	27
2NPK	N=200 P=100 K=100	1	29	6,3	24
		2	74	24,8	44
2NPK+Zn	5 мг/л	1	61	12,9	12
		2	65	24,2	41
	25 мг/л	1	105	24,2	12
		2	64	21,5	42

Результаты анализа цинка в почве подтверждают, что угнетение биомассы ячменя с использованием цинковых удобрений и минеральных удобрений в дозе N(PK)0,5 связано с высокой концентрацией цинка в почве (увеличение в 2 и более раз) (рис. 7). Однако концентрации цинка в почве более высокие, но на фоне высокой обеспеченности элементами питания, не вызвали столь очевидного токсичного действия. Необходимо так же отметить, что на высоком уровне питательных элементов создается более высокий уровень концентрации цинка в почве, что обусловлено, возможно, его более низким выносом с биомассой.

Концентрация цинка в почве высокая и превышает ориентировочно допустимые нормативы (выше 23мг/кг) (Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2041-06). С использованием цинкового удобрения в дозе 25 мг/кг повышается более чем в 3 раза на фоне низкой обеспеченности почвы питательными элементами, а на высоком уровне дополнительное внесение хелатной формы цинка усиливает вынос этого элемента с растением и концентрация в почве снижается. Причем вынос усиливается за счет нарастания биомассы, а не увеличения концентрации цинка в растительном материале. (Табл. 7, 8).

Концентрация цинка в растениях зависела как от доз основных минеральных удобрений, так и от использования удобрения «Рексолин Zn 15». Наибольшая концентрация цинка в растениях наблюдается на низких уровнях минерального питания, что может быть обусловлено низкой концентрацией фосфора в почве. С изменением дозы основных минеральных удобрений концентрация цинка в растениях резко снижается. Лишь при внесении высокой дозы цинка в почву концентрация его в растениях значимо возросла, почти в 5 раз относительно контроля 2NPK и на 25% относительно контроля N(PK)0,5 (рис.8). Необходимо подчеркнуть, что в условиях низкой обеспеченности почвы питательными элементами корреляция с дозой цинковых удобрений проявляется на стадии кущения (R2=0,88) а на фоне высокой обеспеченности - корреляция проявляется практически в начале вегетации растений (R2=0,92) и далее нивелируется эта связь.

Рис. 8 . Концентрация цинка в растениях в разные фазы вегетации с учетом обеспеченности почвы питательными элементами и дозой цинковых удобрений

Таблица 8. Содержание цинка в почве, соломе, зерне (Опыт 2)

Варианты	Почва	Солома	Зерно
	Мг/кг
NPK	18	45,3	29,2
NPK+Zn	32	49,9	41,7
ПДК	23		50

Концентрация цинка в зерне ячменя высокая, но не превышает установленные для злаковых культур нормативы (50 мг/кг) (Ковальский и др., 1971).

IV.2. Влияние цинка на содержание основных элементов метаболизма в растении (азот, фосфор, калий)

Содержание цинка в почве в разные периоды вегетации непосредственно связано с уровнем минерального питания и дозами вносимого цинкового удобрения. И, несомненно, эти факторы влияют на процессы обмена или основного метаболизма в растении.

Концентрация азота при внесении цинкового удобрения в начале онтогенеза растений снижается в среднем на 40 - 45%. Значимых зависимостей от доз цинка и минерального питания не установлено (рис. 9). Растения ячменя чувствительны к внесению цинковых удобрений и уже на первых этапах онтогенеза дополнительное внесение этого элемента позволяет говорить о возможном влиянии на эффективное использование азота (с учетом результатов по биомассе растений).

Концентрация фосфора в зависимости от концентрации цинка увеличивается на высоком уровне минерального питания (рис. 10). Таким образом, взаимосвязь фосфора и цинка начинает проявляться сразу и это зависит как от содержания фосфора в почве, так и от содержания в ней цинка.

Концентрация калия на всех уровнях минерального питания снижается, при внесении испытуемых доз цинкового удобрения (рис. 11). На первом этапе онтогенеза проявляется и взаимосвязь цинка с обменным калием в почве, и как следствие содержанием калия в вегетирующих растениях ячменя.

Рис. 7 Содержание азота в растениях в фазу 3-х листьев

Рис. 10 Содержание фосфора в растениях в фазу 3-х листьев.



Рис. 11 Содержание калия в растениях в фазу формирования 3-х листьев

Результаты химических анализов и анализ этих результатов по процентному содержанию основных элементов питания в растительном материале ячменя свидетельствуют о значимых биохимических изменениях, которые происходят в ходе вегетации растений.

Уже в фазу активного кущения концентрация азота при внесении цинкового удобрения снижается в среднем на 40 - 45%. Значимых зависимостей от доз цинка и минерального питания не установлено (рис.10). Однако об эффективном действии цинка на азотный обмен можно говорить лишь при использовании минимальной дозы цинкового удобрения (5мг/кг). Так как именно в этом варианте на фоне снижения содержания азота не происходит снижения биомассы вегетирующих растений ячменя. В других вариантах снижение содержания азота в растениях сопровождается снижением формирования зелёной массы растений (рис. 12, рис. 6).

Рис. 12 Концентрация азота в растениях в фазу активного кущения

Концентрация фосфора увеличивается на высоком уровне минерального питания, в зависимости от высокой дозы цинка (25 мг/кг) (рис.13). В средне содержание фосфора в растениях составляет 0,58-0,61%, а в варианте, указанном выше - 0,78%, т.е. произошло увеличение более чем на 20%. Увеличение фосфора более значимо, чем на первых фазах вегетации.



Рис. 13 Концентрация фосфора в фазу активного кущения

Рис.14 Концентрация калия в фазу активного кущения.

Под воздействием применяемого нами препарата содержание калия в соломе достоверно снизилось относительно контрольного варианта на фоне низкой обеспеченности питательными элементами и использовании высокой дозы цинка, что скорее свидетельствует о негативной направленности биохимических процессов в растении (рис.12). И положительную закономерность в изменении содержания калия (его увеличении с 4,78% до 5,77%) отмечаем на высоком уровне питательных элементов и низкой дозой цинкового удобрения.

В период уборки урожая (фазу восковой спелости) применение высоких концентраций цинковых удобрений на дерново-подзолистой почве с оптимальной обеспеченностью питательными элементами сопровождалась снижением процентного содержания калия в соломе, а все изменения по азоту и фосфору, которые были зарегистрированы в ходе вегетации растения, нивелируются (Табл.9).

Таблица 9. Содержание NPK в соломе, %

Варианты	N	P	K
NPK	1,56	0,18	2,5
NPK+Zn	1,76	0,17	2,1
НСР 0,05	0,33	0,07	0,2

В зерне же в этом случае (в опытном варианте относительно контрольного) наблюдается снижение процентного содержания азота и увеличение концентрации фосфора (Табл.10). Необходимо отметить, что это происходит на фоне снижения урожая зерна ячменя.

Таблица 10. Содержание NPK в зерне, %

Варианты	N	P	K
NPK	1,85	0,32	0,4
NPK+Zn	1,55	0,68	0,4
НСР 0,05	0,3	0,1	0,1

Выводы

· Исследования разных доз новых хелатных удобрений в процессе вегетации ячменя позволяют прогнозировать возможные эффекты его действия в зависимости от обеспеченности дерново-подзолистой почвы питательными элементами.

· При внесении в почву рекомендованных доз препарата «Рексолин Zn 15» увеличение урожая ячменя обусловлено позитивными изменениями формирования роста и развития ячменя с первых фаз онтогенеза.

· Использование высоких доз цинковых удобрений (25 мг/кг) негативно влияет на урожай и формирование биомассы в процессе вегетации.

· Использование минеральных удобрений позволяет регулировать динамику биохимических изменений в растении при использовании Zn . И эффективность использования цинкового удобрения обусловлена уровнем минерального питания.

Список литературы

1. Алексеев Ю.В., ТМ в почвах и растениях, 1987, Агропромиздат, 142с.

2. Анспок, Бессонова В.А., Лыженко И.И., Михайлов О.Ф. и др. Влияние кинетина на рост проростков гороха и содержание пигментов при избытке цинка в питательном растворе // Физиологические растворы, 1990. Т. 32. Вып. 1. С. 109-120.

3. Битюцкий Н. П. Микроэлементы и растения. С.-Пб. Университет, 1999. 232 с.

4. Битюцкий Н. П., Микроэлементы и растение. Учебное пособие. Спб. 1999.

5. Булгакова Н.Н., Ниловская Н.Т., Влияние концентрации питательного раствора и внешних факторов на формирование яровой пшеницы, Агрохимия, 2006, №6, С.13-26

6. Деви С.Р., Прасад М.Н., Антиокислительная активность растений Brassica juncea, подвергнутых действию высоких концентраций меди//Физиология растений, 2005, том 52, №2, С.233-237

7. Ильин B.Б., К оценке массопотока тяжелы металлов в системе почва - сельскоозяйственная культура, Агрохимия, №3, C.52-59, 2006.

8. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.

9. Король В. В., Кириллова И. Г., Пузина Т. И. Изменение гормонального баланса при обработке картофеля регуляторами роста и микроэлементами. Вестник Башкирского университета, 2001, №2, С. 84-86)

10. Меркушева М.Г., Л.Л.Убугунов, В.И. Убугунова, Биопродуктивность, содержание и накопление макроэлементов надземной и подземной фитомассой орошаемого сеяного злакового травостоя в бассейне реки Селенги в зависимости от минеральных удобрений//Агрохимия, 1997, №3,С.44-52

11. Панин М. С., Касымова Ж. С. , Накопление биомассы и содержание цинка в проростках яровой пшеницы и темно-каштановой почве при внесении разных доз сульфата цинка // Агрохимия, 1999. №3. С. 61-63).

12. Пузина Т. И. Влияние сернокислого цинка и борной кислоты на гормональный статус растений картофеля// Физиология растений, 2004, т. 51. №2. - С. 234-240).

13. Суслина Л.Г., Анисимова Л.Н., Круглов С.В., Анисимов В.С./Накопление Cu, Zn, Cd, Pb ячменём из дерново-подзолистой и торфянистой почв при внесении калия и различном рН//Агрохимия, 2006, №6, С.69-79.

14. Тома С. И., Великсар С. Г.//Микроэлементы как факторы оптимизации минерального питания. // Современное развитие научных идей Д. Н. Прянишникова. -Наука, 1991. С. 243-253.

15. Фархутдинова Р.Г., Г.Р.Кудоярова., Сравнение действия нитратной и аммонийной форм азота на рост корней проростков пшеницы и содержание в них ауксинов приразличных температурных режимах//Агрохимия, 1997, №3, С.41-43

16. Холодова В.П, К.С.Волков, Вл.В.Кузнецов., Адаптация к высоким концентрациям солей меди и цинка растений хрустальной травки и возможность их использования в целях фиторемедиации//ж. Физиология растений, 2005, т.52, №6, с.848-858

17. Холодова В.П., К.С.Волков, Вл.В.Кузнецов., Адаптация к высоким концентрациям солей меди и цинка растений хрустальной травки и возможность их использования в целях фиторемедиации// Физиология растений, 2005, т.52, №6, с.848-858

18. Adriano D. C. Zink in trace elements in the terrestrial environment// Springer-verlag/ New York, 1986, 429-448

19. Anderson W. B. Zinc in soil and plant nutrition. AdV. Agron. 1972, 24, 147-186

20. Elsokkary I. H. Lag L. Distribution of different fractions of Cd, Pb, Zn and Cu in industry polluted and non-polluted soils of Odda region, Norway// Acta Agric. Scand/ 1978, 28, 262-268

21. Emmerich W. E., Lund L. J., Page A. L., Chang A. C. Movement of heavy metals in sewage sludge-treated soils. J. Environ. Qual. 1982, 11, 174-178.

22. Harsharn Singh Grewal, Lu Zhonggu and Robin D Graham. Influence of subsoil zinc on dry matter production, seed yield and distribution of zinc in oilseed rape genotypes differing in zinc efficiency Plant and Soil 192: 181-189, 1997. 181c

23. Harsharn, Dieter H.H. Biochemische Essentialitat und Toxikologie von Kupfer // Off. Gesundh. Wes. 51 (2001) 220-227.

24. Kumur P.B.A,N., Dushenka V., Motto H.,Ruskin I. Phytoextraction: The Use of Plants to Remove Heavy Metals from soils// Enviroment Sci.Technolo.1995.V.29.P.1232-1238

25. Kumur P.B.A,N., Dushenka V., Motto H.,Ruskin I. Phytoextraction: The Use of Plants to Remove Heavy Metals from soils// Enviroment Sci.Technolo.1995.V.29.P.1232-1238

26. Prasad B., Shinha M., Randhawa N. S. Effect of mobile chelating agents on the diffusion of zinc in soils. Soil Sci. 1976, 122, 260-266

27. Salt D.E. et.al. / Phytoextraction: A Novel Strategy for the Removal of Toxic Metals from the Enviroment Using Plants// Biotechnology.1995.V.13.P.468-474

28. Salt D.E. et.al. / Phytoextraction: A Novel Strategy for the Removal of Toxic Metals from the Enviroment Using Plants// Biotechnology.1995.V.13.P.468-474

29. Shukla U.C.,Raj H., Zinc Response in Pigeon pea as Influenced by Genotypic Variabillity/ Plant and soil -1980.-Vol.57,N2\3,-P.323-333

30. Shuman L. M. Micronutrient fertilizers. J. Crop Prod. 1988, 1, 165-195.

31. Stephend . Ebbs, Dleonv Kochian, Phytoextraction of Zinc by Oat (Avena sativa), Barley (Hordeum vulgare), and Indian Mustard (Brassica juncea) Environ. Sci. Technol.1998, 32,802-806

32. Steven N. Whiting, Jonathan R. Leake, Stephen P. McGrath & Alan J.M. Baker, Assessment of Zn mobilization in the rhizosphere of Thlaspi caerulescens by bioassay with non-accumulator plants and soil extraction, Plant and Soil 237: 147-156, 2001

Размещено на Allbest.ru