Накопление и вынос элементов питания и тяжелых металлов растением сои на почвах юга Дальнего Востока

Введение. На важность изучения круговорота химических элементов в биосфере, особенно при интенсивном росте техногенной нагрузки на природные ландшафты, обращал внимание ученых В.И. Вернадский еще в начале минувшего века [1]. В первую очередь это касалось агрофитоценозов и, в частности, пахотных почв, которые в последние 100-150 лет испытывали интенсивные антропогенные нагрузки (механическая обработка, химическая и водная мелиорация, систематическое внесение удобрений и пестицидов). Поэтому в ХХI веке для почвоведения и агрохимии более приоритетными станут проблемы, связанные с экологией, экономикой и социологией. В связи с отмечаемыми в почвоведении и агрохимии тенденциями весьма актуальными становятся проблемы связанные с качеством получаемой растениеводческой продукцией и прежде всего в отношении содержания в ней необходимого и достаточного количества минеральных элементов. В последние годы Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) обеспокоена ростом неинфекционных (эндемических) заболеваний населения и животных, вызываемых недостаточным содержанием в пище многих химических элементов [2]. Согласно данным американских ученых, недостаток в питании микроэлементов, который стали называть «скрытым голодом», в настоящее время испытывает третья часть населения нашей планеты, т.е. около 2 млрд человек. Нарушение питания микроэлементами, чаще всего связанное с их недостатком, приводит к ослаблению здоровья, низкой работоспособности, высокой смертно- сти, понижению иммунитета и, как следствие, к опасным хроническим заболеваниям сердца, органов дыхания и пищеварения [3].

История мирового земледелия к началу ХХI века насчитывает 150 лет от начала применения в растениеводстве минеральных удобрений. До этого господствующими системами земледелия в мире считались подсечно-огневая и лесопольная в лесных районах, а также залежная и переложная – в степных. Эти системы земледелия, в которых использовалось только природное плодородие почв, просуществовали в Европе до XVI века, а в России даже до конца XIX века. Внесение органических удобрений и сидератов, практикуемое в некоторых странах (Китай, Япония, Индия и др.) не было систематическим и широко популярным в мире.

Интенсивное применение минеральных удобрений и успехи в селекции более продуктивных сортов, получившие наиболее бурное развитие в 60-70 годы минувшего столетия, в частности при выращивании риса и пшеницы, так называемая «зеленая революция», способствовали резкому повышению урожаев возделываемых культур. В связи с чем проблема голода, хоть и не была снята с повестки дня, но все же отступила на второй план. Протрезвление наступило к началу текущего столетия, когда все чаще стали появляться в печати материалы, свидетельствующие о негативном влиянии минеральных удобрений на окружающую среду (эвтрофикация водоемов, накопление нитратов в растениеводческой продукции, недостаток в них микроэлементов и др.). В течение всего этого периода (около 150 лет) с минеральными удобрениями поступали в почву только 3 элемента питания – азот, фосфор и калий, а кальций и магний привносились с известью, причем только в кислые почвы, которые периодически известковали. Поэтому со временем все чаще стал обнаруживаться дефицит тех элементов, которые не вносились с традиционными удобрениями. Так, например, в почвах южных районов Дальнего Востока в 60-е годы минувшего столетия был обнаружен резкий недостаток молибдена при возделывании сои. Достаточно сказать, что эффективность полного минерального удобрения (NPK) на урожай соевых бобов в большинстве случаев была ниже, чем от внесения одного молибдата аммония в количестве 25 г/га [4].

Позже был обнаружен недостаток серы на фоне оптимального питания азотом, а также бора, особенно при систематическом внесении извести, причем не только на сое, но и на других культурах [5].

Наиболее объективные результаты по изменению содержания микроэлементов в почвах при интенсивном применении удобрений и без их внесения можно получить в длительных опытах по изучению эффективности удобрений на урожай выращиваемых культур. Проводимые в нашей стране в этом направлении исследования свидетельствуют о том, что систематическое и длительное применение минеральных и органических удобрений, а также извести могут приводить как к недостатку микроэлементов, так и к избыточному их накоплению в почвах и, соответственно, в получаемой продукции [6; 7]. Все будет зависеть от плодородия почв, доз вносимых удобрений, длительности их применения и биологических особенностей выращиваемых культур, а точнее от их способности накапливать те или иные химические элементы в получаемой продукции. Способность к аномально высокому накоплению микроэлементов и тяжелых металлов в последние годы стали использовать для фитомелиорации (фиторемедиации) загрязненных почв как наиболее экономичный и легкодоступный прием. Есть данные, что такой способностью обладает и соя, которую с успехом использовали для очистки почвы от таких элементов как медь, кадмий и никель [8]. Учитывая тот факт, что соя среди зернобобовых культур занимает первое место в мире, изучение особенностей накопления и выноса микроэлементов и тяжелых металлов этой культурой представляется нам весьма актуальным [9]. Настоящей статьей мы продолжаем публикацию материалов по этой важной теме, начатую в 2009 г. на страницах журнала «Масличные культуры» [10].

Материалы и методы. Исследования проводили в опытах с длительным применением органических и минеральных удобрений в двух агрохимических стационарах. Первый расположен во ВНИИ сои (пос. Садовый, Тамбовского района Амурской области), второй - в Приморском НИИСХ (пос. Тимирязевский, Уссурийского района Приморского края). Стационар ВНИИ сои относится к луговым черноземовидным почвам, которые занимают 35 % пахотного фонда области. Эти почвы отличаются средним и высоким содержанием гумуса, хорошей обеспеченностью основными элемен- тами питания и микроэлементами, высокой степенью насыщенности основаниями и слабокислой реакцией среды (табл. 1). Опыт заложен в 1962 г., следовательно, длительность применения удобрений в нем составила к моменту наших исследований 46 лет.

Агрохимический стационар Приморского НИИСХ расположен на типичных для Приморья лугово-бурых оподзоленных почвах, занимающих 36 % пахотного фонда края. Для них характерно среднее плодородие, слабокислая и кислая реакция почвенной среды, низкое содержание подвижных форм питательных элементов, включая микроэлементы, за исключением меди и марганца [11]. Опыт заложен в 1941 г. и к началу наших исследований прошел 7 неполных ротаций девятипольного севооборота, т.е. длительность применения удобрений составила 68 лет.

Для определения величины выноса изучаемого элемента с гектара необходимо знать его концентрацию в каждой фракции урожая и массу этой фракции в пересчете на 1 га. Зная урожай перечисленных фракций сои и концентрацию искомых в них элементов, легко подсчитать их вынос с отчуждаемой (семена + солома) частью урожая и остающейся на поле (листья + пожнивные остатки). Напоминаем, что согласно принятой нами градации элементы, которые накапливаются в отчуждаемых с поля фракциях (зерно + солома, что принято называть хозяйственным выносом) более 60% от общего биологического выноса, отнесены к группе агрохимически активных, менее 40 % -слабоактивным и от 40 до 60 % - к среднеактивным [5]. В настоящей работе приведены величины накопления и выноса трех важных и ранее не изученных в отношении сои элементов - калия, меди и хрома, которые резко отличаются по упомянутым параметрам [10]. В опытах ВНИИ сои использовался сорт Гармония, а в ПримНИИСХе - Приморская-81.

Повторность в опытах 3-кратная. Для фракционного учета урожая перед уборкой отбирались пробные снопы (по 2 с каждой делянки, с площади 0,25 м2) со всех 3-х повторностей. Таким образом, общая повторность образцов всех фракций была шестикратной. Сходимость результатов анализа была вполне удовлетворительной. Азот, фосфор и калий в растительных пробах определяли по В.Т. Кур-каеву [11] из одной навески, микроэлементы и тяжелые металлы - атомно-абсорционным методом с использованием спектрофотометра «Квант-2А». Для учета биомассы листьев во время цветения устанавливали опадоуловители из марли по 2 на каждую делянку, из которых до полного опадения выбирали листья, а также опавшие цветки и завязи в индивидуальные емкости не реже одного раза в неделю. Корни учитывали вместе с частью стебля длиной 5 см от корневой шейки, т.е. ту фракцию, которая остается на поле после уборки комбайном. В таблицах она приведена под аббревиатурой ПЖО (пожнивные остатки).

мечательных свойств данного элемента заключается в том, что он присутствует в растительных клетках преимущественно в минеральной, а точнее в ионной форме, поэтому высокоподвижен и легко реутилизируется. В связи с этим калий может вымываться из растений в почвы при интенсивных осадках [12].

Оптимизировать круговорот калия без внесения удобрений в агроэкосистемах значительно проще, чем круговорот фосфора или

Таблица 1 – Агрохимическая характеристика почв стационарных опытов, на которых проводились исследования по круговороту микроэлементов и тяжелых металлов в посевах сои

Название почвы, место отбора образца	Гумус, %	рНсол.	Нг* в мг-экв./ 100 г почв	V**, %	Подвижные формы питательных элементов
					Р 2 О 5 , мг/100 г	К 2 О, мг/100 г	Cu мг/кг	Сr мг/кг
Луговая черноземовидная (Амурская обл.)	4,1	5,3	4,4	87,0	3,4	17	7,6	3,0
Лугово-бурая оподзо-ленная (Приморский край)	3,8	4,1	7,2	67,0	0,9	1,9	6,7	1,8

Примечания: *Нг – гидролитическая кислотность, мг-экв.на 100 г почвы.

**V – Степень насыщенности почв основаниями, %

азота вследствие того, что калий, как агрохимически среднеактивный и легкоподвижный элемент, больше содержится, аналогично бору и частично хрому, в нетоварной части урожая. Поэтому возвращая солому, листья и пожнивные остатки убранной культуры в почву, мы на 60-80 % компенсируем

Результаты и обсуждения. Баланс калия. Содержание валового и подвижного калия в основных почвах Приморья и Приамурья, как правило, высокое или среднее, поэтому калийные удобрения под сою малоэффективны. Исключение составляют торфянистые, легкие бурые лесные и аллювиальные почвы, составляющие около 25 % от пахотного фонда юга Дальнего Востока, которые нуждаются во внесении калийных удобрений наравне с азотными и фосфорными. Однако в последние годы в связи с возросшими ценами на минеральные удобрения и по другим причинам их применение резко упало и наряду с дефицитом азота и фосфора, по данным последних туров агрохимического обследования, на многих почвах были зарегистрированы случаи недостатка калия для выращиваемых культур [13]. Поэтому тем более важно знать его баланс в посевах сои для того, чтобы прогнозировать и своевременно принимать меры к устранению его дефицита для данной культуры.

Физиологическая роль калия в растениях довольно разнообразна и хорошо изучена. Помимо участия в фотосинтезе, где он способствует оттоку продуктов ассимиляции из листьев в генеративные органы, этот элемент, не входя в их состав, активирует работу многих ферментов, принимающих участие в метаболизме азота, фосфора, углерода и железа. Одно из при- его биологический вынос [14]. Наибольшая концентрация этого элемента, согласно нашим исследованиям, наблюдается в листьях и в зерне (2,5-3,5 %).

В соломе и в корнях его накапливается меньше (от 1 до 1,5 %). Вынос этого элемента с урожаем бывает несколько выше, чем привнос в почву остаточного, остающегося на поле с пожнивными остатками и опавшими листьями, благодаря меньшей массе последних фракций. Хозяйственный вынос калия, как правило, бывает равен или ниже 60 % от накопленного всей массой растений, поэтому мы его относим к агрохимически среднеактивному элементу. Особенно это хорошо заметно в опытах на лугово-бурых оподзоленных почвах Приморского края, где гидротермические условия в 20082009 гг. складывались для сои более благоприятно, чем в Амурской области. Возможно, на урожае отдельных фракций сказались биологические особенности сортов (табл. 2, 3).

Таким образом, хозяйственный вынос калия с урожаем сои значительно меньше, чем вынос азота и фосфора (рис. 1), благодаря большей его концентрации в побочной (нетоварной) продукции. Поэтому калийные удобрения не обязательно вносить полными дозами ежегодно, а только по мере необходимости и в соответствии с результатами диагностики питания сои данным элементом.

Таблица 2 – Накопление и вынос калия (К 2 О) растением сои на лугово-черноземовидных почвах Амурской области

Вариант опыта	Фракции урожая, кг/га				Во всей биомассе, кг/га	Вынос (семена + солома), кг/га	Возврат (листья + корни), кг/га	Вынос (семена + солома), %	Возврат (листья + корни), %
	семена	солома	ли стья	ПЖО
Контроль	55,9	32,9	19,7	34,7	143,2	88,8	54,4	62,0	38,0
МУ	51,4	30,0	18,4	36,3	136,1	81,4	54,7	59,8	40,2
ОМУ	53,8	33,4	17,4	35,9	140,5	87,2	53,3	62,1	37,9

Таблица 3 – Накопление и вынос калия растением сои (К₂О кг/га) на лугово-бурых оподзоленных почвах Приморского края

Вариант опыта	Фракции урожая, кг/га				Во всей биомассе, кг/га	Вынос (семена + солома), кг/га	Возврат (листья + корни), кг/га	Вынос (семена + солома), %	Возврат (листья + корни), %
	семена	солома	ли стья	ПЖО
Контроль	59,9	30,0	1,0	11,4	152,3	89,9	62,4	59,0	41,0
МУ	53,7	37,3	62,0	16,0	169,0	91,0	78,0	53,8	46,2
ОМУ	50,2	32,6	54,8	14,1	151,5	82,6	68,9	54,5	45,5

Баланс меди. Согласно нашим определениям, в верхних горизонтах дальневосточных почв валовой меди содержалось от 2,7 до 98 мг/кг. Причем подавляющее число образцов (95 %) содержали этого элемента более 20 мг/кг, т.е. выше среднего, и только 5 % – ниже. Низкое содержание валовой меди для болотистых почв было отмечено многими авторами. В среднем для наиболее представительных торфянисто-глеевых почв этого ряда оно составляет не более 10 мг/кг. Содержание подвижной меди колебалось от 0,2 до

Амурская область

□ Вынос: семена, солома □ Возврат: листья, пжо

Приморский край

□ Вынос: семена, солома □ Возврат: листья, пжо

Рисунок 1 – Влияние минеральных (МУ) и органоминеральных удобрений (ОМУ) на баланс калия в посевах сои при длительном их внесении (в % от общего выноса)

31 мг/кг, причем основной массив данных (до 85 %) укладывался в интервал концентраций от 3 до 7 мг/кг. В торфянисто-болотных почвах, как правило, ее количество не превышало 0,6 мг/кг.

Данный микроэлемент в небольших количествах необходим растительным организмам, так как участвует в процессах поглощения и трансформации основных элементов питания, способствует повышению интенсивности фотосинтеза, принимает участие в первичных фотохимических реакциях, входя в состав многих окислительно-восстановительных ферментов. Особая роль принадлежит меди в фиксации атмосферного азота бобовыми растениями и в частности соей. В практике давно используется медь для устранения болезни цитрусовых (экзантемы) и эндемического полегания злаковых культур на торфяниках [15]. Неоднократно отмечались патологии животных, связанные с избытком меди в почвах и соответственно в кормах. Это проявлялось в развитии различных форм «медной желтухи» (энзоотической желтухи). Заболевание считается хроническим и часто приводит к летальному исходу [16].

Наши исследования показали, что медь распределяется в органах растений сои неравномерно. Высокие концентрации данного микроэлемента отмечаются в семенах сои, далее по убывающей идут солома, листья и корни, в которых меди накапливается на порядок меньше, чем в семенах. Особенно хорошо это заметно на сое, выращенной на стационаре Приморского НИИСХ (табл. 4). У амурских образцов также отмечается повышенное количество меди в репродуктивных органах, причем длительное применение удобрений увеличивает ее вынос. Максимальный вынос меди был отмечен в опытах ПримНИИСХ (более 83 %). Следует подчеркнуть, что баланс меди в посевах злаковых культур (пшеница) оказался практически аналогичным балансу, отмеченному нами для посевов сои.

Таблица 4 – Накопление и вынос меди растением сои на луговых черноземовидных почвах Амурской области и лугово-бурых почвах Приморья (в г/га)

Вариант опыта	Содержание Сu по фракциям урожая				Во всей биомассе, г/га	Вынос (семена + солома), г/га	Возврат (листья + корни), г/га	Вынос (семена + солома), %	Возврат (листья + корни), %
	семена	солома	ли стья	ПЖО
Амурская область
Контроль	3,29	3,42	2,52	1,65	10,88	6,71	4,17	61,68	38,32
МУ	7,00	3,93	2,73	2,00	15,67	10,94	4,73	69,79	30,21
ОМУ	5,70	4,46	2,95	2,02	15,13	10,15	4,97	67,14	32,86
Приморский край
Контроль	8,29	2,73	1,38	0,74	13,15	11,02	2,13	83,80	16,20
МУ	11,96	3,58	2,17	0,82	18,52	15,54	2,99	83,87	16,13
ОМУ	9,43	3,78	2,19	0,68	16,08	13,21	2,88	82,12	17,88

Амурская область

Вынос: семена, солома, створки □ Возврат: листья+пжо

Приморский край

□ Вынос: семена, солома 0 Возврат: листья, пжо

Рисунок 2 – Влияние минеральных и органоминеральных удобрений на баланс меди в посевах сои при их длительном внесении (в % от общего выноса)

Баланс хрома. Этот элемент в настоящее время больше известен как один из опасных и высокотоксичных загрязнителей, поэтому включен в программу глобального мониторинга, принятой ООН в 1980 г. [17]. Несмотря на свою довольно широкую распространенность в природе, его физиологическая роль в растениях изучена очень слабо и нет строгих доказательств необходимости этого элемента растениям. Есть сведения, что он активизирует окислительно-восстановительные ферменты, повышает общее содержание элементов питания, количество хлорофилла и сахара. Причем эти данные получены в основном для культуры винограда [18]. Более детально изучены вопросы ток- сикологии этого элемента для животных организмов. Так установлено, что наиболее токсичен шестивалентный хром и его соединения. Он является канцерогеном для человека и животных, накапливаясь в печени, селезенке, а также в скелете и других тканях [17].

Фоновое содержание валового хрома в почвах юга Дальнего Востока, судя по имеющимся немногочисленным данным, не превышает значения кларков, выведенных для почв мира и западных регионов России (~ 100 мг/кг почвы) [19, 20]. Количество подвижного хрома, как правило, ниже среднего уровня.

Тяжелые металлы, как правило, концентрируются в нижней части растений (корнях), следовательно, им свойственен акропетальный градиент концентрации, т.е. их содержание убывает снизу вверх [20]. Данное явление объясняется тем, что у растений существуют защитные механизмы, призванные обеспечить безопасную концентрацию токсикантов в первую очередь в жизненноважных (генеративных) органах. Эта способность, видимо, существенным образом может усиливаться в зависимости от концентрации тяжелых металлов, т.е. с увеличением их содержания в почве они больше будут накапливаться в корнях [5]. Так выглядит баланс хрома в посевах сои при фоновом содержании его в почве (табл. 5), для которого характерна низкая агрохимическая активность, как и для других тяжелых металлов.

Таблица 5 – Накопление и вынос хрома растением сои на луговых черноземовидных почвах Амурской области (в г/га)

Вариант опыта	Содержание Сr по фракциям урожая, г/га				Во всей биомассе, г/га	Вынос (семена + солома), г/га	Возврат: (листья + корни), г/га	Вынос (семена + солома), %	Возврат (листья + корни), %
	семена	солома	ли стья	ПЖО
Контроль	0,4	4,1	0,7	19,6	24,8	4,5	20,3	18,1	81,9
МУ	0,7	2,6	0,8	16,2	20,3	3,3	17,0	16,3	83,7
ОМУ	0,8	3,1	0,8	14,4	19,1	3,9	15,2	20,4	79,6

Максимальная концентрация хрома была обнаружена в корнях (от 32 до 50 мг/кг), минимальная – в семенах (от 0,1 до 0,56 мг/кг). Листья и солома занимали промежуточное положение и накапливали примерно одинаковое его количество – 0,4 до 3,5 мг/кг, в зависимости от вносимых удобрений и гидротермических условий года. Удобрения неоднозначно влияют на вынос хрома, и все же наблюдается некоторое его накопление биомассой сои при внесении ОМУ (рис. 3).

Амурская область

Рисунок 3 – Влияние минеральных и органоминеральных удобрений на баланс хрома в посевах сои при их длительном внесении (в % от общего выноса)

Выводы. 1. По характеру накопления калий относится к элементам средней агрохимической активности, т.е. интенсивность выноса его из почв с продуктивной частью растений (хозяйственный вынос) значительно меньше, чем у азота и фосфора. В связи с преимущественным накоплением его в побочной (непродуктивной) части урожая и при условии полного возвращения таковой в почву его вынос будет компенсироваться на 60-80 % от общего биологического выноса. Это позволит экономить минеральные калийные удобрения и, в конечном счете, приведет к некоторому оздоровлению экологической ситуации в агрофитоценозах.

• 2.    Наибольшая

• 3.    Топография распределения хрома в растении сои прямо противоположная той, которая отмечена для меди. Этому элементу свойственен акропетальный тип накопления, т.е. он в основном накапливается в корнях и в нижней части стебля, остающихся на поле. Низкая агрохимическая активность хрома свидетельствует о малой вероятности истощения почв этим элементом при возделывании сои.

концентрация меди у сои наблюдается в генеративных органах (в семенах) и в соломе, т.е. для этого элемента характерен базипетальный тип накопления.

Поскольку упомянутые фракции урожая выносятся с поля и по весу превышают биомассу, остающуюся на поле (листья+ПЖО), баланс меди в посевах сои складывается отрицательным. Медь – типичный элемент с высокой агрохимической активностью, т.к. ее вынос колеблется от 62 до 84 %. Поэтому вероятность истощения почв без внесения ее с удобрениями весьма вероятна и, в первую очередь, на почвах с низким содержанием этого элемента.