Влияние селена на химический состав почвы и растений в условиях южной лесостепи Омской области

Необходимость селена для живых организмов на сегодняшний день не вызывает сомнений. Этот микроэлемент имеет первостепенное значение в защите организма от оксидантного стресса, определяя активность целой серии глутатионпероксидаз и других селенсодержащих ферментов, ответственных за антиоксидантную защиту липидов клеточных стенок от перекисного окисления.

Основной путь поступления селена в организм животных и человека – по пищевой цепи почва–растение–животный организм. Поэтому должны быть разработаны научно обоснованные мероприятия по обогащению селеном продукции растениеводства и животноводства. При этом необходимо учитывать, что различия между терапевтической и токсической дозой селена незначительны и при повышенных концентрациях он может оказывать токсическое действие на живые организмы.

Во многих работах указаны различные дозы селенсодержащих удобрений, оказывающих токсическое действие на растения, проявляющиеся в угнетении роста, развития, проявлении хлороза, снижении продуктивности и урожайности культур [1, 2, 3, 4]. Таким образом, представляется необходимым изучение накопления данного микроэлемента с учетом агроэкологических условий, доз и способов его применения, а также влияния его на химический состав почвы и растений.

Объекты и методы

В условиях южной лесостепи Омской области по результатам полевых опытов 20052007 гг. на лугово-черноземной почве было установлено содержание селена в почве, растениях астрагала галеговидного и рапса ярового. Выбор данных культур объясняется тем, что астрагалы являются растениями, аккумулирующими селен [1, 4]. Что касается рапса, то по данным исследований ряда авторов при одном и том же содержании селена в почве растения семейства крестоцветных накапливают этот элемент в большей степени, нежели другие культуры [3]. В нашем исследовании дозы Se были рассчитаны исходя из разработанного ПДК селена в почве (по литературным данным он составляет 10 мг/кг). При этом дозы 0,5, 1 и 2 ПДК составляли соответственно 11,7, 23,7 и 47,7 кг/га д.в. Селен вносили на фоне азота и фосфора в дозе 90 кг/га. Содержание селена определяли в НИИ Питания РАМН флуорометрическим методом. Помимо Se в исследуемых почве и растениях определяли содержание микроэлементов (Cd, Ni, Zn, Cu, Pb) атомно-абсорбционным методом в ФГУ ЦАС «Омский». По окончании исследования полученные данные обрабатывали статистически c использованием программы Microsoft Exel.

Результаты и их обсуждение

В процессе исследований изучено накопление валового и водорастворимого селена в лугово-черноземной почве (слой 0-30 см) в зависимости от доз его внесения (таблица 1). Установлена прямо пропорциональная зависимость содержания селена от дозы, которая выражается для валового содержания уравнением (1) и уравнением (2) для водорастворимого:- у1=442,32х + 1610,8; r= 0, 95 (1) у2 = 1,12x + 10,2; r = 0,96 (2), где у1 , у2 – содержание валового и водорастворимого селена в почве (мкг/кг);

х – доза селена (кг/га).

Таблица 1

Содержание валового и водорастворимого селена в лугово-черноземной почве (слой 0-30 см) при основном внесении под рапс яровой (в среднем за 2005-2007 гг.)

Вариант	Валовой Se	Водорастворимый Se
Фон (N 90 P 90 )	458	15
Ф+Se (11,74кг/га)	5516/+1004,4*
Ф+Se (23,74кг/га)	16336/3466,8	29/+93,3
Ф+Se (47,74кг/га)	20943/4472,7	72/+380

Примечание: * в числителе - содержание селена в мкг/кг, в знаменателе - изменения по сравнению с фоном.

Полученные нами экспериментальные данные позволяют рассчитать коэффициент «b» интенсивности действия селена на химический состав почвы. Так, при внесении 1 кг/га селена валовое содержание его увеличивается соответственно в среднем на 0,442 мг/ кг, а водорастворимого на 0,0011 мг/кг слоя почвы 0-30см.

В процессе исследований установлено, что селен, вносимый в лугово-черноземную почву, влиял на подвижность других микроэлементов, увеличивая или, напротив, снижая их уровень доступности для растений.

Применение селена способствовало увеличению содержания подвижного кадмия. На варианте с внесением селена в дозе 47,7 кг/га содержание подвижного кадмия превышало уровень контроля на 22,4%. Наши исследования показали, что внесение селена в луговочерноземную почву способствовало увеличению мобильности никеля до определенного уровня (23,7 кг/га селена). Так, на варианте с внесением селена в этой дозе уровень подвижного никеля превышал контрольный на 84%, с дальнейшим увеличением дозы Se (свыше 23,7 кг/га) отношения между этими элементами принимали характер внешнего антагонизма. Аналогичная зависимость отмечалась в отношениях Se-Cu: синергизм сменялся антагонизмом. Подвижность меди возрастала на 21,7% при внесении селена в дозе 23,7 кг/га, затем мобильность ее снижалась. Наблюдался синергизм между Se-Pb в почвенной среде, что способствовало превышению уровня Pb в почве на 18,9 % на варианте с внесением селена 47,7 кг/га по сравнению с контролем. Интересно отметить, что в отличие от других микроэлементов, мобильность цинка снижается при внесении селена: на варианте с его внесением в дозе 47,7 кг/га содержание подвижного цинка снижено на 71,4%.

Рассчитаны коэффициенты b (в мг/кг) интенсивности действия единицы внесенного селена в почву на содержание подвижных форм кадмия (0,0005), никеля (0,014), цинка (– 0,0241), меди (0,0021) и свинца (0,043).

Установленные коэффициенты «b» интенсивности действия единицы поступившего в почву селена на химизм почвы позволяют произвести оценку концентрации их в луговочерноземной почве и этим самым поступление в растение пользуясь следующей формулой (3):

С мг/кг = Сн + Д . b , (3), где С и Сн –содержание подвижных микрэлементов до внесения селена (Сн ) и после его применения (С) , мг/кг почвы;

Д- доза внесенного элемента, кг/га;

b - коэффициент интенсивности действия селена, мк/кг почвы.

Как избыток, так и недостаток селена в питательной среде одинаково отрицательно сказываются на росте и развитии растений. Известно, что селен обладает очень узкой гранью между токсичностью и необходимостью [5]. Во многих работах указаны различные дозы селенсодержащих удобрений, оказывающих токсическое действие на растения, проявляющиеся в угнетении роста, развития, проявлении хлороза, снижении продуктивности и урожайности культур [1-5]. Таким образом, представляется необходимым изучение накопления данного микроэлемента в растениях с учетом агроэкологических условий, биологических особенностей культуры, доз и способов его применения.

В процессе поглощения селена корневой системой растений важную роль играют ионообменные процессы. Тем не менее, экспериментальные данные J. Rosenfeld и О. А. Веаth (1964) указывают и на активное всасывание растением соединений селена из почвы. При этом избыток соединений селена связывается органическими кислотами и выводится из растений [цит. по 4].

Наши исследования показали, что астрагал галеговидный, выращиваемый в условиях южной лесостепи Омской области, на лугово-черноземной почве накапливает значительное количество микроэлемента, однако не проявляет свойства растения-аккумулятора (таблица 2).

Таблица 2

Содержание селена в зеленой массе астрагала галеговидного в зависимости от доз его внесения , в мкг/кг

Вариант		Год жизни растения
		1	2	3
Фон		365	294	284
Фон + основное внесение в почву Se, кг/га	0,5 ПДК 11,7	2186	3412	3000
	1 ПДК 23,7	3475,5	4000	3850
	2 ПДК 47,7	5534	5500	6055

Согласно полученным данным, при основном внесении селена в почву накопление его астрагалом происходило достаточно интенсивно. Так, в первый год жизни при внесении селена в дозах 0,5, 1, 2 ПДК содержание его увеличивалось соответственно на 499, 852 и 1416%. Во второй и третий год жизни содержание микроэлемента при внесении его в дозе 2 ПДК в растении увеличивалось соответственно на 1771 и 2032%. Очевидно, что в результате последействия селена на лугово-черноземной почве доступность его растениям возрастает.

Существует зависимость между дозой вносимого в почву селена и его содержанием в растениях в течение трех лет жизни астрагала:

y1 = 0,098x - 0,0035, r = 0,62(4)

y2 = 0, 098x + 1,26, r = 0,84(5)

y3 = 0,113x + 0,95, r = 0,94(6)

где у1, 2, 3 - содержание селена в зеленой массе астрагала галеговидного соответственно в 1, 2 и 3 годы жизни, мг/кг х - доза селена при основном внесении, кг/га.

В результате эксперимента выявлена динамика накопления селена растением рапса в течение вегетации (таблица 3).

Таблица 3

Содержание селена в зеленой массе рапса ярового в зависимости от доз его внесения (опыт 2005 -2007 гг), в мкг/кг

Вариант		Фаза развития растения
		Розетка	Бутонизация	Уборка
Фон		119	114	128
Фон + основное внесение в почву Se, кг/га	0,5 ПДК 11,7	1192	1280	1240
	1 ПДК 23,7	7935	4838	3654
	2 ПДК 47,7	21403	13946	5430

Накопление микроэлемента рапсом яровым происходило прямо пропорционально его дозе. Ниже представлены математические уравнения (7-9) зависимости содержания селена в зеленой массе рапса ярового от дозы антропогенного поступления его в лугово-черноземную почву:

y1 = 0,56x - 5,37, r = 0,99(7)

y2 = 0,36x - 3,16, r = 0,99(8)

y3 = 0,11x + 0,33, r = 0,93(9)

где у1, 2, 3 - содержание селена в рапсе соответственно в фазы розетки, бутонизации, уборки, мг/кг, х - доза селена при основном внесении, кг/га.

Необходимо отметить, что в ранние стадии развития рапса содержание селена было более высоким, чем к периоду уборки, что связано с эффектом «разбавления». Так, в стадию розетки при внесении селена в почву в дозах 0,5, 1 и 2 ПДК содержание микроэлемента в растении превышало уровень фона на 902, 6568 и 17886%, т.е. в 10, 67 и 180 раз соответственно, а к периоду уборки - выше в 9,7, 28,5 и 42,4 раза. Таким образом, зеленая масса рапса эффективно накапливала селен в условиях корневого поступления элемента. При этом растениеводческая продукция, выращенная на вариантах 1 и 2 ПДК, может быть токсичной для животных.

На основе полученных данных разработаны коэффициенты интенсивности действия селена на химический состав кормовых культур «b», что позволяет прогнозировать содержание данного элемента при поступлении его в почву (таблица 4).

Таблица 4

Коэффициенты «b» при основном внесении Se, в мг/кг сухой массы

Рапс яровой		Астрагал галеговидный
Фаза розетки	0,56	1 год жизни	0,098
Фаза бутонизации	0,36	2 год жизни	0,098
Уборка	0,11	3 год жизни	0,11

Полученные данные растительной диагностики позволят корректировать селеновое питание в период роста и развития. Используя коэффициенты интенсивности действия селена на химический состав кормовых растений, можно прогнозировать его содержание и моделировать качество получаемой растениеводческий продукции в условиях ее селенизации.

В работе [6] указано, что преобладание одних ионов может сильно подавлять поглощение других и вызывать различные нарушения в питании растений. Так, дополнительное по- ступление селена, особенно в высоких дозировках, способствовало изменению в целом химического состава астрагала галеговидного и рапса ярового.

В наших исследованиях на основе изученных взаимоотношений между отдельными парами ионами при поступлении в растения рапса ярового и астрагала галеговидного составлены схемы взаимоотношения между Se-Cd-Ni-Zn-Cu-Pb с учетом развития растительного организма и способа применения селена. Обобщая полученные данные, можно отметить, что конкретные проявления антагонизма и синергизма ионов микроэлементов разнообразны и могут быть вызваны разными причинами: различными концентрациями селена и соотношениями его с другими элементами в почве, способами применения микроэлемента, метеорологическими условиями вегетационного периода, а также степенью потребности растения в данных элементах в различные периоды онтогенеза, генетическими особенностями культуры. Синергизм ионов при их поступлении в растения может переходить в антагонизм и наоборот, следствие этого - изменение внутреннего баланса химических элементов в растительном организме. Итог взаимодействия ионов при поступлении в растения астрагала и рапса в условиях применения селена показан в таблице 5.

Таблица 5

Характер взаимоотношений микроэлементов при основном внесении селена

Микроэлемент	Характер взаимодействия
	Антагонизм	Антагонизм-синергизм	Синергизм
Астрагал галеговидный
Cd		Pb	Se, Ni, Zn, Cu
Ni		Se, Zn, Cu, Pb	Ni
Zn		Pb, Ni	Se, Cd
Cu		Ni	Se, Cd, Pb
Pb		Se, Cd, Zn, Ni	Cu
Se		Ni, Pb	Cd, Zn, Cu
Рапс яровой
Cd	Ni, Cu	Se	Pb
Ni	Zn, Cd, Se
Zn	Pb, Ni, Se		Cu
Cu	Pb, Cd, Se		Zn
Pb	Zn, Cu		Cd, Se
Se	Ni, Zn, Cu	Cd	Pb

Проведенные исследования подтверждают тот факт, что алгоритм минерального питания растений можно разработать на основе двух главных принципов – изучение механизма поступления элементов минерального питания и количественный учет постоянно изменяющихся потребностей в питательных веществах возделываемых культур за счет внесения минеральных удобрений. При этом в обязательном порядке необходимо учитывать не только непосредственно внесенные с минеральными удобрениями элементы, но и, с учетом явлений антагонизма и синергизма ионов, влияние одних элементов питания на содержание других [6].

Выводы

Исследования по изучению особенностей накопления селена кормовыми культурами позволили выявить следующие закономерности:

• -    при корневом поступлении темпы накопления селена зависят от фазы развития и возраста растения: в начальные периоды развития растений содержание селена выше преимущественно в рапсе, а к периоду уборки - в астрагале;

• -    существует прямая зависимость концентрации селена в растениях от дозы его применения;

• -    при основном внесении селена в надземной массе кормовых растений накапливается значительное содержание селена, что может представлять существенную опасность для животных, потребляющих данную растениеводческую продукцию. Таким образом, можно использовать основное внесение селена и существенно повысить уровень его содержания в кормовых растениях, однако при этом необходимо постоянно контролировать его содержание в почве и растениях, учитывая интервалы токсичного и необходимого содержания селена для конкретных систем почва-растение-животное.

• -    в процессе поступления и усвоения микроэлемента растительным организмом влияют не только концентрация и форма соединения, в которой он присутствует в почве, но и весь комплекс минеральных элементов, с которыми данный микроэлемент вступает в антагонистические и синергические взаимоотношения [6]. Поэтому при оценке влияния микроэлемента, в частности селена, на химический состав необходимо учитывать взаимоотношения между другими ионами при поступлении в растительный организм.