Взаимодействие никеля с микроэлементами в растениях овощных и кормовых культур

Формирование урожая, качество растениеводческой продукции зависят от химического состава растений. Исследованиями последних лет установлено, что в жизни растений, животных и человека громадную роль играют микроэлементы. При их недостатке или избытке организмы, вследствие различного рода нарушений, в ходе физиологических процессов в той или иной степени страдают. Растения в итоге дают низкие урожаи, животные – плохие привесы. Возможна и гибель организмов. Поэтому крайне важно исследование влияния микроэлементов на элементный состав растений [1].

Обобщение многолетних исследований с различными сельскохозяйственными культурами в условиях Западной Сибири на черноземных почвах, а также анализ литературы позволяют сделать вывод о том, что существуют определенные закономерности при поглощении растениями элементов питания.

Как отмечают Г.Я. Ринькис, В.Ф. Ноллендорф [2], Ю.И. Ермохин [3] и др., явления взаимодействия элементов – синергизм и антагонизм – в минеральном питании растений играют важную роль. Взаимодействие химических элементов имеет такое же значение для физиологии минерального питания растений, как явление дефицита и токсичности.

В природных условиях гармоничное питание встречается крайне редко, поэтому уменьшение или увеличение в растениях концентрации какого-либо элемента изменяет пропорции между ним и другими элементами [4].

Объекты и методы исследований

Объектами исследований являлись: столовая свекла, столовая морковь, суданская трава, рапс яровой, микроэлементы (Ni, Zn, Cu, Pb Cd).

Исследования по изучению влияния никеля на химический состав растений проводили на опытном поле Омского государственного аграрного университета им. П.А. Столыпина и в лаборатории диагностики питания растений кафедры агрохимии.

Содержание тяжелых металлов в растительных образцах определяли согласно методическим указаниям МСХ РФ (ЦИАНО) (1992, 1993); РД (Методические указания, 1990), ГОСТ 30178–96 в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Центр агрохимической службы «Омский».

Результаты исследований

В результате многолетних исследований (1997–2004) было изучено влияние никеля на химический состав таких овощных культур, как столовая свекла и столовая морковь, а также кормовых культур – рапса ярового и суданской травы.

Поглощение, распределение и накопление металлов в растениях зависело от культуры, вносимого в почву элемента, метеорологических условий года, фазы развития растений. В табл. 1 представлены средние многолетние данные о содержании микроэлементов в столовой свекле и моркови на период уборки.

Таблица 1

Влияние никеля на накопление микроэлементов в растениях на период физиологической зрелости

Вариант	Кадмий	Никель	Цинк	Медь	Свинец
Столовая морковь
Корнеплод
Фон (Ф)	0,15	0,84	19,7	3,18	1,24
Ф + Ni 22	0,11/–26,6*	1,52/+80,9	9,94/–49,9	3,10/–2,50	1,20/–3,20
Надземная масса
Фон (Ф)	0,41	3,20	20,9	3,87	3,23
Ф + Ni 22	0,40/–2,44	2,29/–28,4	16,9/–4,00	3,27/–15,5	3,60/+11,4
Столовая морковь
Корнеплод
Фон (Ф)	0,18	0,62	12,6	5,49	2,23
Ф + Ni 22	0,31/+72,2	1,06/+70,9	17,3/+37,9	5,57/+1,46	2,63/+17,9
Надземная масса
Фон (Ф)	0,70	3,10	20,8	6,90	2,66
Ф + Ni 22	0,60/–14,3	3,20/+3,22	26,9/+29,3	6,87/–0,40	3,77/+41,7

* В числителе – содержание микроэлемента, мг/кг сухого вещества; в знаменателе – изменения по сравнению с фоном, %.

Согласно представленным данным, внесение Ni в почву способствовало в целом изменению химического состава свеклы и моркови. Степень и направленность таких изменений определялась метеорологическими условиями года, фазой роста и развития растений, содержанием элементов в почве.

Исследования, проведенные с рапсом яровым и суданской травой, показали, что наряду с вышеперечисленными факторами формирование химического состава зависит от дозы вносимого в почву элемента (табл. 2).

Поступление никеля в растение рапса происходило не особенно интенсивно: внесение наибольшей дозы никеля 2 ПДК (17,9 кг/га) приводит к его увеличению в среднем за годы исследования только на 27,3%. Незначительные темпы накопления этого элемента установ- лены и на макроэлементном фоне. Внесение никеля под суданскую траву оказало значительное влияние на химический состав растения. На всех вариантах содержание никеля, цинка и свинца увеличивается, наибольшее увеличение наблюдается на варианте Ni12 (+91,0%). Содержание кадмия и меди в растениях суданской травы зависит от дозы вносимого микроэлемента. Небольшие дозы никеля, а также никель на фоне фосфора снижают содержание этих микроэлементов (табл. 2).

Таблица 2

Влияние Ni на накопление микроэлементов в рапсе яровом и суданской траве на период физиологической зрелости растений

Вариант	Кадмий	Никель	Цинк	Медь	Свинец
Без применения макроэлементов
Рапс яровой
Контроль	0,59	4,42	32,77	3,05	3,85
Ni 0,5ПДК	0,66/+11,8	5,09/+15,2	44,12/+34,6	5,85/+91,8	5,52/+43,4
Ni 1ПДК	0,76/+28,8	5,31/+20,4	44,03/+31,4	4,81/+57,7	5,4/+40,3
Ni 2ПДК	0,75/+27,1	5,63/+27,3	41,90/+27,9	5,64/+84,9	5,03/+30,6
Суданская трава
Контроль	0,16	1,99	19,1	5,38	1,34
Ni 4	0,13/–18,8	2,22/+11,6	19,5/+2,1	4,35/–19,1	1,81/+35,1
Ni 8	0,15/–6,3	2,58/+29,7	30,1/+57,6	5,50/+2,2	2,25/+67,9
Ni 10	0,17/+6,3	3,79/+90,5	34,8/+82,2	7,23/+34,4	1,96/+46,3
Ni 12	0,17/+6,3	3,80/+91,0	29,8/+56,0	6,76 + 25,7	1,80/+34,3
На фоне применения макроэлементов
Рапс яровой
Фон (N 90 Р 90 )	0,66	5,34	34,02	3,19	3,80
Ф + Ni1ПДК	0,77/+16,7	5,72/+7,1	44,91/+32,0	5,91/+85,3	6,27/+65,0
Суданская трава
Ni 8 P 180	0,12/–25,0	2,78/+39,7	22,05/+15,5	4,61/–14,3	1,98/+47,8
Ni 10 P 180	0,16/0	3,68/+84,9	32,4/+69,6	4,88/–9,4	2,46/+83,6

* В числителе – содержание микроэлемента, мг/кг сухого вещества; в знаменателе – изменения по сравнению с контролем, %.

Проведенные полевые исследования позволили рассчитать нормативные коэффициенты b интенсивности действия поступившего в лугово-черноземную почву никеля на изменение содержания этих элементов в корнеплодах столовой свеклы, моркови, а также в зеленой массе рапса ярового и суданской травы (табл. 3).

Таблица 3

Коэффициенты интенсивности действия Ni на химический состав растений ( b ), мг/кг сухого вещества

Культура	Коэффициент интенсивности действия Ni
Столовая свекла, корнеплод	0,12
Столовая морковь, корнеплод	0,03
Рапс яровой, надземная масса	0,06
Суданская трава, надземная масса	0,16

Полученные количественные характеристики b растений позволяют прогнозировать химический состав столовой свеклы, моркови, рапса, суданской травы при антропогенном поступлении Ni в почву по формуле

J мк/кг = Сф + (D · b),                                 (1)

где J – содержание Ni в растении, мг/кг сухого вещества;

Сф – исходное содержание Ni в растении, мг/кг сухого вещества;

D – доза поступившего элемента в почву, кг/га;

b – коэффициент интенсивности действия единицы поступившего элемента в растение, мг/кг.

Кроме того, установленные коэффициенты интенсивности действия b могут использо- ваться в практической агрохимии и экологии при расчете оптимальных доз микроэлемента, для оценки его накопления в сельскохозяйственных культурах, а также для оценки химического состава и качества растениеводческой продукции. Например, используя установленные коэффициенты b интенсивности внесенных 1 кг/га Ni на химический состав почвы и расте- ний, можно прогнозировать содержание этих элементов в растениеводческой продукции

(Сраст), выращенной при содержании их подвижных форм в пределах ПДК (табл. 4). При этом расчет проводится по формуле

С раст = ПДК · b раст / b поч

Таблица 4

Содержание Ni в растениях при их концентрации в почве, соответствующей ПДК, мг/кг

Культура	Прогнозируемое содержание в растении
Столовая свекла, корнеплод	96
Столовая морковь, корнеплод	24
Рапс яровой, надземная масса	48
Суданская трава, надземная масса	128

Таким образом, проведенные многолетние исследования в условиях моделирования антропогенного поступления никеля под столовую свеклу, морковь, рапс яровой и суданскую траву позволили выявить следующие основные закономерности:

• –    дополнительное поступление никеля в почву способствует увеличению содержания этих элементов как в органах запасания ассимилятов, так и в генеративных органах растений;

• –    исходя из рассчитанных коэффициентов интенсивности действия поглощение Ni убывает в ряду: суданская трава > рапс яровой > столовая свекла > морковь;

• –    в начальные периоды развития растений содержание микроэлементов выше, нежели к периоду физиологической зрелости, что объясняется эффектом «биологического разбавления»;

• –    в засушливый год темпы накопления микроэлементов в органах растений выше, в умеренно влажный – ниже, что можно объяснить формированием более высокой биомассы и, как следствие, явлением «расконцентрации»;

• –    применение оптимальных доз макроэлементов под рапс яровой незначительно изменяет уровень поступления Ni при сравнении с применением растений, выращенных без применения макроудобрений.

Исследованиями установлено, что в процессе роста и развития культур отношения между микроэлементами при поступлении их в растения изменялись в зависимости от фазы роста растения и, как следствие, от степени потребности растения, уровня и соотношения химических элементов во внешней среде (почве): антагонизм ионов при поступлении их в растения переходил в синергизм, и наоборот. Это способствовало изменению внутреннего баланса химических элементов в растительном организме. На основе установленных математических зависимостей между отдельными парами ионов при поступлении в растения свеклы и моркови составлены схемы взаимоотношения между никелем и микроэлементами с учетом развития растительного организма (табл. 5).

Таким образом, на процессы усвоения микроэлементов растительным организмом влияет не только концентрация и форма соединения, в которой он поступает, но и весь комплекс минеральных элементов, с которыми данный микроэлемент вступает в антагонистические и синергические взаимоотношения [4]. Установлено, что если тот или иной элемент питания находится в минимальной дозировке – является фактором лимитирующим, то он ограничивает действие других элементов (в частности микроэлементов), находящихся в почве даже в «нормальной» дозировке, что, в свою очередь, сказывается на продуктивности растений. С переходом элемента в почве из лимитирующего в область оптимальных дозировок ограниче- ние его как лимитирующего фактора снижается, и ряд других микроэлементов, взаимодействуя с ним, проявляет полную эффективность, соответствующую агрохимическим и физиологическим особенностям каждого из них. Эффект взаимодействия ионов возрастает в положительном направлении. Наблюдается явление синергизма между основными элементами питания и микроэлементами. Степень несбалансированности минерального питания снижается и приближается к уровню сбалансированного гармонического питания, при котором продуктивность растений достигает наибольшего эффекта.

Таблица 5 Взаимодействие Ni с другими микроэлементами при поступлении их в растения столовой свеклы, моркови, суданской травы, рапса ярового

Синергизм	Синергизм-антагонизм	Антагонизм
Столовая свекла
Целое растение, фаза 6–8 листьев
Zn	Cu, Pb
Целое растение, фаза 8–10 листьев
Zn	Cu, Pb
Корнеплод, фаза 8–10 листьев
	Pb, Zn, Cu
Надземная масса, фаза 8–10 листьев
	Zn, Cu, Pb
Корнеплод (в период уборки)
Cu	Zn, Pb
Надземная масса (в период уборки)
Zn	Cu, Pb
Столовая морковь
Целое растение, фаза 6–8 листев
Zn	Cu, Pb
Целое растение, фаза 8–10 листьев
Zn	Cu, Pb
Корнеплод, фаза 8–10 листьев
Cu	Zn
Надземная масса, фаза 8–10 листьев
	Cu, Zn
Корнеплод (в период уборки)
	Cu, Pb, Zn
Надземная масса (в период уборки)
		Cu, Zn, Pb
Суданская трава
Надземная масса (в период уборки)
Zn, Cd	Cu	Pb
Рапс яровой
Надземная масса (в период уборки)
Zn, Cd, Pb

При дальнейшем же переходе элемента питания в почве через оптимальный уровень до высоких дозировок эффект взаимодействия элементов в растениях возрастает, принимая часто противоположные направления. Наблюдаются антагонистические отношения между элементами, которые отрицательно влияют на продуктивность растений [3; 4].

Заключение

Таким образом, исследования показали, что на процессы усвоения микроэлементов растительным организмом влияют не только концентрация и форма соединения, в которой он поступает, но и весь комплекс минеральных элементов, с которыми данный микроэлемент вступает в антагонистические и синергические взаимоотношения [3].