Продуктивность, морфометрические признаки растений яровой пшеницы и накопление кадмия в урожае под влиянием регулятора роста циркон

Результатом хозяйственной деятельности человека является увеличение техногенной нагрузки на агроэкосистемы и повышение содержания загрязняющих веществ в почвах сельскохозяйственного назначения (1-4). В последнее время в растениеводстве все большее внимание уделяют современным средствам химизации, направленным как на увеличение урожайности культур, так и на повышение устойчивости компонентов агробиоценозов к неблагоприятным воздействиям (5, 6).

Кадмий относится к числу основных химических загрязнителей почвы не только из-за широкого распространения техногенных источников, но и высокой способности элемента аккумулироваться в биологических объектах и ингибировать физиологическую активность важных органических соединений. Достаточно легко перемещаясь из корней в надземную часть растений, кадмий в относительно больших количествах проникает в репродуктивные органы и органы запасания ассимилятов и, являясь химическим аналогом цинка, способен замещать последний в сложных метаболических процессах (2, 3). Основная причина токсичности кадмия для растений связана с нарушением энзиматической активности, что приводит к дестабилизации метаболизма и может проявляться в ингибировании роста и торможении фотосинтеза (1).

Снижение фитотоксического эффекта техногенных загрязнителей и ограничение накопления их в урожае возможно за счет использования при возделывании сельскохозяйственных культур биологически активных соединений — регуляторов роста. Применение препарата Циркон связано прежде всего с повышением адаптационных возможностей растений к стресс-агентам, к которым вполне можно отнести и наличие в почве большого количества тяжелых металлов. Кроме того, с помощью препарата Циркон можно компенсировать дефицит природных регуляторов роста, возникающий при выращивании растений в неблагоприятных условиях окружающей среды (7-10).

Известно, что фенольные соединения, к которым относятся гидроксикорич-ные кислоты, входящие в состав действующего вещества препарата Циркон, обусловливают различные физиологические и биохимические функции растений. У растений, способных адаптироваться к действию стресс-факторов, выявлено значительное повышение содержания этих соединений в клетках по сравнению с формами, характеризующимися низкой жизнеспособностью и адаптивной реакцией. Например, внесение кадмия в питательные среды каллусных культур льна-долгунца позволяет повысить содержание фенольных соединений в клетках, причем у дикого вида в меньшей степени (на 20 %), чем у культурных форм (30-200 %), что обусловлено большей приспособленностью первых к действию абиотических факторов среды (11).

В связи с этим в задачу нашей работы входила оценка влияния препарата Циркон на урожайность и показатели роста растений яровой пшеницы, а также фитотоксичность кадмия и накопление этого элемента в зерне и соломе в условиях вегетационного опыта.

Методика. Объектом исследований служил районированный сорт яровой пшеницы Иргина ( Triticum vulgare L.). Растения выращивали до получения урожая на 75

дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (Калужская обл.): рН KCl — 6,4; содержание гумуса — 2,1 %, Р 2 О 5 и К 2 О — соответственно 23,0 и 17,0 мг/100 г почвы. Перед посевом в предварительно измельченную и просеянную почву вносили питательные элементы в виде водных растворов солей NH₄NO₃, KCl и KH₂PO₄ из расчета N, P 2 О 5 и К 2 О соответственно 0,2; 0,14 и 0,14 г/кг почвы. Одновременно с внесением элементов питания в почву добавляли раствор соли Cd(NO₃)₂ ⋅ 4H₂O в количестве, соответствующем содержанию кадмия 10 (Cd 10 ) и 20 (Cd 20 ) мг/кг воздушно-сухой почвы. Выбор дозы кадмия базировался на значениях ПДК этого элемента для дерновоподзолистой почвы. В заполненные почвой сосуды емкостью 5 кг высевали по 21 зерновке пшеницы. В фазу начала кущения растения прореживали и оставляли по 15 шт. на один сосуд; повторность опыта 4-кратная. Полив производили дистиллированной водой, поддерживая влажность на уровне 60 % от полной полевой влагоемко-сти .

Семена пшеницы перед посевом или растения в период вегетации (фаза кущения) обрабатывали препаратом Циркон (фирма ННПП «НЭСТ М», Москва) в разных концентрациях. Действующим веществом (д.в.) препарата является смесь гидро-ксикоричных кислот (0,1 мг/мл), относящихся к фенолкарбоновым соединениям и обладающих иммуномоделирующим, антистрессовым действием. Семена перед посевом и вегетирующие растения обрабатывали препаратом Циркон в дозах соответственно 2 мл/т зерна (Ц 2 ) и 10 мл/га (Ц 10 ). Схема опыта предусматривала применение препарата Циркон как для обработки семян, так и растений в одном и том же варианте (Ц 2 + Ц 10 ).

В течение всего вегетационного периода проводили фенологические наблюдения за развитием растений. Через 90 сут после посева растения срезали и определяли высоту от корня до конца колоса, количество стеблей, озерненность и массу зерна с главного колоса и подгонов, массу 1000 зерен и общую продуктивность.

Агрохимический анализ почвы проводили по общепринятым методам (12): содержание гумуса — по Тюрину; pH (KCl) — потенциометрически в суспензии почва/раствор (1 М KCl) при соотношении твердой и жидкой фаз 1:2,5; содержание обменных ионов калия и фосфора — по Кирсанову. Содержание кадмия в почве (после полного разложения силикатной матрицы почвы плавиковой кислотой), зерне и соломе (после озоления растительного материала смесью кислот HNO3 + HClO4 в соотношении 3:1) измеряли атомно-абсорбционным методом (в пламенном варианте) на приборе Varian Spectr AA 250+ («Varian», Австралия-США).

Влияние препарата Циркон на рост и продуктивность растений пшеницы, а также накопление кадмия в зерне и соломе оценивали в следующих вариантах опыта: I — Cd 10 ; II — Cd 10 + Ц 2 ; III — Cd 10 + Ц 10 ; IV — Cd 10 + Ц 2 + Ц 10 ; V — Cd 20 ; VI — Cd 20 + Ц 2 ; VII — Cd 20 + Ц 10 и VIII — Cd 20 + Ц 2 + Ц 10 . Контролем служил вариант без внесения в почву кадмия и при отсутствии обработки семян и растений препаратом Циркон. Достоверность различий между вариантами опыта определяли на основе парного двухвыборочного t -теста для средних.

Результаты. Фитотоксический эффект кадмия проявлялся в запаздывании вхождения растений в соответствующую фазу онтогенеза и снижении некоторых морфологических показателей. Независимо от варианта опыта на ранних фазах (от всходов до кущения) растения пшеницы не различались по интенсивности роста. Однако, начиная с фазы выхода в трубку и до полного созревания урожая, загрязнение почвы кадмием приводило к отставанию развития растений на 1-2 сут по сравнению с контролем. При использовании препарата Циркон наблюдалась стимуляция роста растений, интенсивность которого существенно зависела от способа применения и дозы препарата. Наиболее эффективной с точки зрения стимуляции развития оказалась обработка растений пшеницы препаратом Циркон в фазу кущения (VII вариант), что выразилось в более раннем наступлении всех фаз органогенеза.

• 1.    Показатели роста и развития растений яровой пшеницы сорта Иргина в зависимости от способа применения препарата Циркон (вегетационный опыт)

2. Элементы продуктивности растений яровой пшеницы сорта Иргина в зависимости от способа применения препарата Циркон (в расчете на одно растение)

Вариант опыта	Высота растений с колосом, см	Число стеблей	Число продуктивных стеблей	Длина главного колоса, см
Контроль	88,7	1,86	1,43	10,4
I (Cd 10 )	86,0	1,63a	1,34	10,1
II (Cd 10 +Ц 2 )	82,5	1,91b	1,50	11,2
III (Cd 10 +Ц 10 )	87,3	1,78	1,35	10,7
IV (Cd 10 +Ц 2 +Ц 10 )	85,4	1,89b	1,39	11,4
V (Сd 20 )	92,8	1,67	1,26a	10,6
VI (Cd 20 +Ц 2 )	93,3	1,74	1,33	10,6
VII (Cd 20 +Ц 10 )	94,5	1,68	1,36	12,5
VIII (Cd 20 +Ц 2 +Ц 10 )	96,0b	2,15b	1,32	11,0

П р и м е ч а н и е. Описание вариантов опыта см. в разделе «Методика». Ошибка среднего арифметического составляла 3-5 %; a и b — различия соответственно с контролем и вариантом сравнения (без обработки Цирконом) (Р < 0,05).

Добавление в почву кадмия в дозах 10 и 20 мг/кг, как правило, не оказывало существенного влияния на рост растений пшеницы, но способствовало снижению общей и продуктивной кустистости (табл. 1). Однако на фоне некоторого варьирования показателей продуктивности как главного колоса, так и подгонов (особенно в I варианте) общая продуктивность в расчете на одно растение практически не изменялась (табл. 2).

Вариант опыта	Главный побег		Подгоны		Общее число зерен	Воздушно-сухая масса, г
	число зерен	масса зерна, г	число зерен	масса зерна, г		солома	зерно	1000 зерен
Контроль	50,55	2,00	8,59	0,31	59,14	2,34	2,31	39,06
I (Cd 10 )	47,00	1,85	8,44	0,27	55,44	1,80a	2,12	38,24
II (Cd 10 + Ц 2 )	54,21b	1,80	11,15b	0,34b	65,36b	2,08	2,14	32,74b
III (Cd 10 + Ц 10 )	61,09b	2,13b	8,86	0,28	69,95b	2,20b	2,41b	34,45b
IV (Cd 10 + Ц 2 +Ц 10 )	56,06b	2,06b	8,73	0,29	64,79b	2,24b	2,35	36,27b
V (Сd 20 )	54,14	2,20	7,12	0,21a	61,26	2,11	2,41	39,34
IV (Cd 20 + Ц 2 )	51,48	2,08	9,26b	0,30b	60,74	3,30b	2,38	39,18
VII (Cd 20 + Ц 10 )	54,86	2,03b	9,76b	0,30b	64,62	2,63b	2,33	36,06b
VIII (Cd 20 + Ц 2 +Ц 10 ) П р и м е ч а н и е. То же,	57,40b      2,04b что в таблице 1.		8,93b	0,27b	66,33b	2,44b	2,31	34,83b

Интенсивность роста и продуктивность растений пшеницы сорта Иргина повышались после обработки семян и вегетирующих растений препаратом Циркон (см. табл. 1 и 2). Независимо от способа применения препарата выявлено достоверное увеличение биомассы (кроме II варианта опыта). Наиболее общим результатом использования препарата (который не удается увязать с конкретным способом применения) явилось увеличение числа зерен с одного растения и уменьшение размера зерновок (по показателю массы 1000 зерен).

Токсичность тяжелых металлов для растений связана с поглощением корнями ионов металлов и их распределением по органам. Растения обладают неспецифическими защитными механизмами, тормозящими поступление тяжелых металлов в надземную часть, что связано с избирательным поглощением ионов или их метаболическими превращениями (1, 4). В свою очередь физиологически активные вещества, легко включающиеся в метаболические процессы, способны не только изменять накопление и распределение по органам растений токсичных элементов, но и активировать реакции детоксикации последних.

Валовое содержание кадмия в почве составляло в нашем опыте 0,49±0,04 мг/кг воздушно-сухой массы, что находится в пределах варьирования содержания этого элемента в дерново-подзолистой почве — 0,7-2,31 мг/кг (13). При дополнительном внесении кадмия в почву содержание элемента в хозяйственно полезной части растений в I и V вариантах опыта (Cd10 и Cd20) было практически одинаковым и составляло для соломы и зерна соответственно 9,04-8,82 и 3,47-3,55 мг/кг (рис.). Это свидетельствует о нелинейной зависимости коэффициента накопления (Кн) кадмия, определяемого как отношение содержания элемента в растениях (мг/кг воздушно-сухой массы) к его валовому содержанию в почве (мг/кг), от количества металла в почве. В I варианте Кн составлял для соломы и зерна соответственно 6,17±0,50 и 2,37±0,17, тогда как в V варианте — 2,71±0,08 и 1,09±0,10, то есть был в 2,3-2,2 раза ниже.

Содержание и коэффициент накопления кадмия (Сd) в соломе и зерне яровой пшеницы сорта Иргина по вариантам вегетационного опыта: I — Cd 10 ; II — Cd 10 + Ц 2 ; III — Cd 10 + Ц 10 ; IV — Cd 10 + Ц 2 + Ц 10 ; V — Сd 20 ; VI — Cd 20 + Ц 2 ; VII — Cd 20 + Ц 10 ; VIII — Cd 20 + + Ц 2 + Ц 10 ; 1 и 2 — содержание кадмия соответственно в соломе и зерне; ▲ и ■ — коэффициент накопления кадмия соответственно в соломе и зерне.

При дозе кадмия в почве 10 мг/кг предпосевная обработка семян Цирконом практически не оказывала влияния на переход металла в растения, тогда как обработка вегетирующих растений (как самостоятельно, так и на фоне предварительной обработки семян) вызывала значимое уменьшение Кн до 1,8 раза (Р < 0,05). Вероятно, действующее вещество препарата Циркон, включающееся в метаболизм растений на более поздней стадии развития (фаза кущения), оказывает большее влияние на транспорт минеральных элементов из почвы в растение, тем более что к свойствам препарата относят стимулирование как роста корней, так и синтеза хлорофилла (7-10).

Обращает на себя внимание тот факт, что при более сильном загрязнении почвы кадмием (V вариант) под влиянием Циркона накопление металла в хозяйственно полезной части растений достоверно снижалось (Р < 0,05). Вместе с тем относительный Кн в VIII варианте (Cd20 + Ц2 + Ц10) по сравнению с V (Cd20) составлял для соломы и зерна соответственно 28,0 и 35,8 %, а в I варианте — 45,5 и 41,8 %. Следовательно, обработка семян и растений пшеницы препаратом Циркон эффективнее при невысоком загрязнении почвы кадмием (10 мг/кг почвы) и определяется способом применения этого регулятора роста.

Из-за более выраженного влияния препарата Циркон на снижение накопления кадмия в различных частях растений, чем на увеличение продуктивности, вынос элемента c урожаем при использовании этого препарата был ниже (за исключением II варианта), чем в I и V вариантах (табл. 3).

3 . Оценка выноса кадмия из почвы растениями яровой пшеницы сорта Иргина в зависимости от способа применения препарата Циркон (в расчете на одно растение)

Вариант опыта

Содержание кадмия мг ⋅ 10-2 на одно растение                         г/га солома            зерно           солома          зерно

I (Cd 10 ) II (Cd 10 + Ц 2 ) III (Cd 10 + Ц 10 ) IV (Cd 10 + Ц 2 +Ц 10 ) V (Сd 20 ) VI (Cd 20 + Ц 2 ) VII (Cd 20 + Ц 10 ) VIII (Cd 20 + Ц 2 +Ц 10 )

0,06                    0,04                   65,1                  29,8 1,63                    0,75                   83,8                 31,5 2,10                    0,79                   51,9                 23,1 1,30                    0,58                   45,7                  19,7 1,14                    0,49                   74,4                 33,9 1,86                    0,85                   70,3                 28,8 1,76                    0,72                   70,8                 28,6 1,77                    0,71                   70,5                 23,2

Таким образом, предпосевная обработка семян и растений яровой пшеницы сорта Иргина в фазу кущения регулятором роста (при совместном последовательном и раздельном применении препарата Циркон) способствует снижению фитотоксиче-ского действия кадмия при повышенном содержании этого элемента в почве. Эффективность действия препарата Циркон существенно зависит от способа его применения. В целом применение препарат Циркон стимулирует развитие растений, положи- тельно сказывается на формировании элементов продуктивности, уменьшает накопление кадмия в хозяйственно полезной части растений.

Л И Т Е Р А Т У Р А

• 1.   К а б а т а - П е н д и а с А., П е н д и а с Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989.

• 2.   И л ь и н В.Б. Тяжелые металлы в системе почва—растение. Новосибирск, 1991.

• 3.   А л е к с е е в Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л., 1987.

• 4.   Ч е р н ы х Н.А., М и л а щ е н к о Н.З., Л а д о н и н В.Ф. Экотоксикологические аспекты загрязне

  ния почв тяжелыми металлами. М., 1999.

• 5.    Г а л а к т и о н о в а А.А. Экологические аспекты использования торфогуминовых удобрений. Аграрная наука, 1998, 6: 13-15.

• 6.    К а н д ы б а Е.В., Н и к и т и н а М.Б., Ф а т е е в А.М. Использование биопрепаратов в сельском хозяйстве. Химия в сельском хозяйстве, 1996, 6: 6-8.

• 7.    М а л е в а н н а я Н.Н. Циркон — новый стимулятор роста и развития растений. В сб.: Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях. М., 2001: 111.

• 8.    В о р о н и н а Л.П. Эффективность действия Циркона на рост и развитие кормовых и злаковых культур. В сб.: Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях. М., 2001: 222-223.

• 9.    К а ш и р с к а я Н.Я. Циркон и повышение устойчивости плодово-ягодных культур к грибным болезням. В сб.: Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях. М., 2001: 244-245.

• 10.    П у ш к и н а Г.П., Б у ш к о в с к а я Л.М. Ростстимулирующее действие препарата Циркон на лекарственных культурах. В сб.: Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях. М., 2001: 268-269.

• 11.    Г о н ч а р у к Е.А., А л я в и н а А.К. Изучение изменений в содержании фенольных соединений у каллусных культур диких и культурных видов растений льна при воздействии кадмия. Тез. докл. VI симпозиума по фенольным соединениям (28-30 апреля 2004 г.). М., 2004: 25-26.

• 12.    К а у р и ч е в И.С. Методы агрономического анализа почв. М., 1989.

• 13.    Химия тяжелых металлов, мышьяка и молибдена в почвах /Под ред. Н.Г. Зырина и Л.К. Садовниковой. М., 1985.