Агроэкологическая оценка микроэлементного состава растений сои

УДК 631.95: 633.853.52

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МИКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА РАСТЕНИЙ СОИ

С.В. ЛУКИН1, доктор сельскохозяйственных наук, директор

С.В. СЕЛЮКОВА2, аспирант

Центр агрохимической службы «Белгородский», ул. Щорса, 8, Белгород, 308027, Российская Федерация 2Белгородский государственный национальный исследовательский университет(НИУ «БелГУ»), ул. Победы, 85, корп. 14, Белгород, 308015, Российская Федерация

Резюме. Исследования проводили в Белгородской области на реперных участках локального агроэкологического мониторинга, почвенный покров которых представлен преобладающими в области почвами: черноземами типичными и черноземами выщелоченными. Цель исследований - анализ и оценка размеров накопления в растениях сои основных микроэлементов. Валовое содержание микроэлементов определяли по общепринятым в агрохимической службе методикам, подвижных форм молибдена - по методу Григга с использованием для экстракции оксалатно-буферного раствора с рН 3,3, подвижных форм цинка, меди, кобальта, хрома, никеля, кадмия и свинца - с использованием ацетатно-аммонийного буферного раствор с рН 4,8. Концентрацию цинка, меди, свинца и кадмия в растениеводческой продукции измеряли в соответствии с ГОСТ 30692-2000, мышьяка - по ГОСТ26930-86, ртути - по ГОСТ26927-86, кобальта - по ОСТ 10.155-88, никеля и хрома - по общепринятой методике, молибдена - колориметрическим методом. По содержанию в бобах сои изучаемые микроэлементы можно расположить в убывающий ряд Zn > Cu > Ni > Mo > Pb > Cr > Co > Cd > 4s > Hg. Бобы сои, по сравнению с зерном озимой пшеницы, содержат в 3,4 раза больше меди, в 3,1 раза - молибдена, а концентрация кобальта в них в 3,3 раза меньше. Соя характеризуется очень высоким накоплением никеля. Его содержание в бобах составляло 5,15 мг/кг, что в 8,2 раза выше, чем в зерне кукурузы. Содержание цинка, меди, никеля, молибдена, хрома в бобах сои было выше, чем в соломе, а свинца, кобальта, кадмия, мышьяка и ртути, наоборот, выше в соломе, чем в бобах. Концентрация наиболее токсичных элементов (Pb, Сd, As, Hg) в бобах сои не превышала регламентируемых допустимых уровней для пищевой продукции. Ключевые слова: цинк, медь, кобальт, молибден, хром, никель, кадмий, свинец, ртуть, мышьяк, микроэлементы, соя, почва. Для цитирования: Лукин С.В., Селюкова С.В. Агроэкологи-ческая оценка микроэлементного состава растений сои // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 6. С. 34-36.

категорий)

3]

Соя - одна из наиболее распространенных и востребованных сельскохозяйственных культур в мире. В 2007 г. ее высевали на площади 90,1 млн га. В основном сою используют для производства масла, после чего остается шрот, который служит богатым источником белка и применяется при производстве комбикормов [1].

В последние годы наблюдается систематическое увеличение посевных площадей сои в России. В 2012-2016 гг. эту культуру выращивали на площади 1874 тыс. га, в том числе в Белгородской обла-

сти на 156,4 тыс. га, что соответственно в 1,94 и 3,2 раза больше, чем в 2007-2011 гг. (табл. 1). За эти же годы средняя урожайность в РФ увеличилась на 0,3 т/га (27,3 %), а в Белгородской области - на 0,75 т/га (65,8 %).

Химический состав растений сои значительно варьирует в зависимости от почвенно-климатических условий. По сравнению с озимой пшеницей, на формирование единицы основной продукции сои с учетом побочной расходуется в 2,3 раза больше азота, в 1,6 фосфора, в 1,9 калия [2]. Соя характеризуется достаточно высоким использованием серы. Вынос этого элемента с урожаем 2,5 т/га составляет в среднем 22 кг/га. Очень важны для формирования урожая культуры и микроэлементы. По значимости в порядке убывания их размещают в следующий ряд: молибден, цинк, медь, марганец, бор, железо [1].

Цель исследований - анализ и оценка размеров накопления в растениях сои основных микроэлементов.

Условия, материалы и методы. В работе использовали материалы локального агроэкологического мониторинга, проводимого на реперных участках Белгородской области, почвенный покров которых представлен преобладающими в области черноземами типичными и черноземами выщелоченными.

Валовое содержание микроэлементов определяли по общепринятым в агрохимической службе методикам, подвижных форм молибдена - по методу Григга с использованием для экстракции оксалатно-буферного раствора с рН 3,3, подвижных форм цинка, меди, кобальта, хрома, никеля, кадмия и свинца - с использованием ацетатно-аммонийного буферного раствор с рН 4,8.

Концентрацию цинка, меди, свинца и кадмия в растениеводческой продукции измеряли в соответствии с ГОСТ 30692-2000, мышьяка - по ГОСТ 26930-86, ртути - по ГОСТ 26927-86, кобальта - по ОСТ 10.155-88. Содержание никеля и хрома определяли по общепринятой методике [4], молибдена - колориметрическим методом [5].

При статистической обработке результатов лабораторного анализа рассчитывали доверительный интервал для среднего значения (x±t05sll) и коэффициента вариации (V, %) с использованием программного обеспечения Microsoft Excel 2007.

Результаты и обсуждение. По данным локально-Таблица 1. Динамика посевной площади, валовых сборов и урожайности сои в Белгородской области и Российской Федерации (в хозяйствах всех

Белгородская область Российская Федерация

Годы посевная площадь, тыс. га валовой сбор, тыс. т урожайность, т/га посевная площадь, тыс. га валовой сбор, тыс. т урожайность, т/га

2007 30,2 35,9 1,11 777 650 0,85

2008 42,0 37,9 0,83 747 746 0,97

2009 35,5 37,5 0,95 875 944 1,11

2010 56,5 49,3 0,88 1206 1222 1,09

2011 80,0 152,6 1,95 1229 1756 1,48

2007-2011 48,8 62,6 1,14 967 1064 1,10

2012 92,9 158,0 1,77 1481 1806 1,31

2013 127,4 235,2 1,87 1532 1636 1,36

2014 170,4 241,5 1,44 2006 2597 1,36

2015 180,9 349,7 1,94 2123 2890 1,39

2016 210,4 515,3 2,45 2228 3343 1,58

2012-2016 156,4 299,9 1,89 1874 2454 1,40

го агроэкологического мониторинга среднее фоновое валовое содержание в пахотном слое черноземов лесостепной зоны цинка составляет 42,9 мг/кг, никеля - 25,0, хрома - 21,0, меди - 13,1, свинца - 13,1, кобальта - 7,8, мышьяка - 3,76, молибдена - 2,50, кадмия - 0,32, ртути -0,023 мг/кг; подвижных форм цинка - 0,51 мг/кг, никеля -0,63, хрома - 0,44, меди - 0,12, свинца - 1,09, кобальта - 0,16, молибдена - 0,11, кадмия - 0,08 мг/кг. Фоновое валовое содержание и концентрация подвижных форм изучаемых элементов в пахотныхпочвах были ниже установленных уровней ориентировочно допустимыхконцентраций (ОДК) или предельно допустимых концентраций (ПДК).

По содержанию в бобах сои микроэлементы можно расположить в следующий убывающий ряд - Zn > Си

> N1 > Мо > РЬ > Сг > Со > Сс1 > Аб > Нд, в соломе закономерность несколько иная - Zn > Си > РЬ > N1 > Сг

> Мо > Со > СС > Аб > Нд (табл. 2).

процессе биологической фиксации молекулярного азота связывание азота атмосферы [10]. Участие элемента в фиксации азота воздуха объясняет его особое значение для роста и развития бобовых культур. Сегодня молибден по своему практическому значению выдвинут на первое место среди других микроэлементов, так как он оказался одним из осноных факторов решения двух важных проблем современного сельского хозяйства: обеспечения растений азотом, а сельскохозяйственных животных - белком [10]. В растениях молибден распределяется неравномерно: больше его в зерне, богатом белковыми веществами, меньше - в листьях и стеблях. В бобах сои среднее содержание этого металла составляло 0,69 мг/кг (для сравнения, в зерне озимой пшеницы в среднем 0,22 мг/кг [7]), а в соломе - всего 0,21 мг/кг.

Таблица 2. Вариационно-статистические показатели содержания микроэлементов в растениях сои, мг/кг абсолютно сухого вещества

Элемент Бобы Солома

Нт V, % Нт V, %

34,4±0,5 31,9-37,0 3,5 6,12±0,34 5,39-9,10 12,8

Си 11,70±0,04 8,30-12,9 7,7 3,58±0,10 3,00-4,12 6,7

М 5,15±0,34 4,53-7,22 15,2 0,70±0,11 0,34-1,45 37,8

Мо 0,69±0,04 0,63-0,85 12,6 0,21±0,04 0,08-0,34 41,0

РЬ 0,53±0,04 0,13-0,80 26,5 0,87±0,05 0,52-1,22 18,1

Сг 0,42±0,01 0,37-0,45 5,6 0,38±0,03 0,31-0,43 14,9

Со 0,14±0,01 0,10-0,19 17,2 0,19±0,03 0,08-0,25 30,5

Сс1 0,072±0,005 0,017-0,097 25,7 0,083±0,005 0,033-0,106 19,8

Ав 0,019±0,001 0,012-0,033 22,8 0,026±0,001 0,021-0,034 9,1

Нд 0,0032±0,0004 0,001-0,0045 26,5 0,0093±0,0006 0,0077-0,011 12,5

Цинк входит в состав различных ферментов, поэтому играет важную и разнообразную роль в физиологических процессах, протекающих в растениях. Его нормальное содержание в растениях, как правило, находится в пределах 20-60 мг/кг сухого вещества, а токсичные концентрации, при которых наблюдается снижение урожайности, составляют 300-500 мг/кг [4]. В бобах сои среднее содержание цинка находилось на уровне 34,4 мг/кг, что в 5,6 раза больше, чем в соломе (для сравнения, в зерне озимой пшеницы средняя величина этого показателя не превышает 28,4 мг/кг [5]).

Медь в растениях входит в состав окислительных ферментов, она частично сосредоточена в хлоропластах и тесно связана с процессами фотосинтеза [6]. Среднее содержание этого элемента в бобах сои находилось на уровне 11,7 мг/кг (для сравнения, в зерне озимой пшеницы концентрация меди в 3,4 раза меньше - 3,45 мг/кг [7]), в соломе - 3,58 мг/кг.

Никель в растениях выполняет разнообразные физиологические функции, хотя его биохимическая роль пока не вполне выяснена. Он выводит растения из состояния покоя, регулирует образование гистонов, способствует перемещению азота и прорастанию семян, изменяет активность фермента уреазы, катализирующего гидролиз мочевины, участвует в процессе трансаминирования

[7]. В бобах сои его содержание находилось на уровне 5,15 мг/кг, что выше, чем в зерне кукурузы, в 8,2 раза, а по сравнению с семенами подсолнечника - в 5,9 раза

[8]. Соя среди известных сельскохозяйственных культур занимает первое место по накоплению этого металла. Как правило, его концентрация в бобах составляет не менее 3 мг/кг [9]. Основная продукция сои содержала никеля в 7,4 раза больше, чем побочная.

Молибден входит в состав ряда важных ферментов, в том числе нитрогеназы, осуществляющих в

Кобальт усиливает интенсивность дыхания растений, участвует в процессах фотосинтеза, активирования ферментов белкового обмена и окислительно-восстановительных ферментов [10]. Кроме того, он необходим для бобовых культур и играет важную роль в процессе фиксации молекулярного азота. Среднее содержание этого металла в сое сравнительно невелико и составляет 0,14 мг/кг в бобах и 0,19 мг/кг в соломе, при этом, например, в зерне озимой пшеницы его концентрация находится на уровне 0,46 мг/кг, в соломе - 0,82 мг/кг [7]. Как правило, в побочной продукции сои и зерновых культур этот металл накапливается сильнее, чем в основной.

Хром в растениях участвует в синтезе белка, способен повышать продуктивность фотосинтеза и содержание хлорофилла в листьях. При избыточной концентрации этого элемента снижается рост, отмечается угнетение растений, а при большой даже их гибель [6]. Содержание хрома в бобах сои в среднем составляло 0,42 мг/кг, в соломе - 0,38 мг/кг. По концентрации этого элемента в основной продукции соя мало отличается от озимой пшеницы (0,48 мг/кг) или ячменя (0,44 мг/кг) [7].

Свинец - один из наиболее токсичных минеральных элементов. Считается, что до 85 % свинца в организм человека поступает с продуктами питания. Хотя в природных условиях он присутствует во всех видах растений, роль этого элемента в метаболизме выявить пока не удается. Нормальная концентрация свинца в растениях находится в пределах 0,5-10 мг/кг, токсичная - 30-300 мг/кг [4]. В бобах сои среднее его содержание составляло 0,53 мг/кг, в соломе - 0,87 мг/кг. Среднее фоновое содержание свинца в зерне озимой пшеницы находится на уровне 0,4 мг/кг, в зерне ячменя - 0,34 мг/кг [7].

Кадмий оказывает фитотоксическое воздействие, выражающееся в тормозящем действии на фотосинтез, нарушении транспирации и фиксации углекислого

Таблица 3. Вынос микроэлементов с урожаем сои 1,6 т/га, г/га

Продукция 1 Zn Cu Ni Pb Mo Cr Со Od 1 As Hg

Бобы 47,3 16,1 7,09 0,73 0,95 0,58 0,19 0,1 0,026 0,004

Солома 9,9 5,8 1,13 1,40 0,34 0,61 0,31 0,13 0,042 0,015

В сумме 57,2 21,9 8,22 2,13 1,29 1,19 0,50 0,23 0,068 0,019

газа [6] Среднее содержание этого металла в бобах составляло 0,072 мг/кг, в соломе его концентрация была немного выше - 0,083 мг/кг (для сравнения, в зерне озимой пшеницы среднее содержание кадмия составляет 0,048, в зерне ячменя - 0,039 мг/кг [7]).

Мышьяк в растениях - облигатный элемент, однако его физиологическая роль, а также форма нахождения в них до сих пор не ясна [6]. Среднее содержание мышьяка в бобах сои составляет 0,019 мг/кг, в соломе - 0,026 мг/кг (в зерне озимой пшеницы и ячменя 0,024 мг/кг [7]).

При токсичных концентрациях ртуть оказывает негативное влияние на различные метаболические процессы в растениях, в том числе фотосинтез, образование хлорофилла, дыхание [6]. Среднее содержание этого элемента в бобах сои составляет 0,0032 мг/кг, тогда как в зерне озимой пшеницы в 3,4 раза больше -0,011 мг/кг [7]. В основном этот металл накапливается в побочной продукции сельскохозяйственных культур. Его концентрация в соломе сои в среднем в 2,9 раза выше, чем в бобах, и составляет 0,0093 мг/кг.

По выносу с урожаем бобов сои 1,6 т (при стандартной влажности) с 1 га с учетом соответствующего количества побочной продукции элементы образуют следующий убывающий ряд: Zn > Си > N1 > РЬ > Мо > Сг > Со > Сс1 > Аб > Нд (табл. 3).

Техническим регламентом таможенного союза «О безопасности зерна» регламентируются предельно допустимые уровни содержания наиболее токсичных элементов (РЬ, СС, Аб, Нд) в бобах сои, используемой как на пищевые, так и на кормовые цели. Для использования на пищевые цели считаются пригодными бобы сои с содержанием РЬ, СС, Аб, Нд не более 1,0, 0,1, 0,3, 0,05 мг/кг соответственно, а для кормовых целей - не более 5,0, 0,5, 2,0, 0,1 мг/кг. Вся исследуемая основная продукция сои соответствовала наиболее жестким требованиям, предъявляемым к пищевой продукции.

Выводы. Таким образом, по содержанию в бобах сои изучаемые микроэлементы располагаются в убывающий ряд: Zn > Си > N1 > Мо > РЬ > Сг > Со > СС > Аб > Нд. В бобах сои, по сравнению с зерном озимой пшеницы, содержится в 3,4 раза больше меди, в 3,1 раза - молибдена и в 3,3 раза меньше кобальта. Соя характеризуется очень высоким накоплением никеля. В бобах концентрация этого элемента составляла 5,15 мг/кг, что в 8,2 раза больше, чем в зерне кукурузы. Содержание цинка, меди, никеля, молибдена, хрома в бобах сои выше, чем в соломе, концентрация свинца, кобальта, кадмия, мышьяка и ртути, наоборот, в соломе выше, чем в бобах. Содержание наиболее токсичных элементов (РЬ, СС, Аб, Нд) в бобах сои не превышало регламентируемых допустимых уровней для пищевой продукции.

Литература.

1. Рекомендации по проектированию интегрированного применения средств химизации в ресурсосберегающих технологиях адаптивно-ландшафтного земледелия: инструктивно-методическое издание /А.Л. Иванов и др. М.: Росинформагротех, 2010. 464 с.

2. Гурикбал С. Соя: биология, производство, использование. Киев: Издательский дом «Зерно», 2014. 656 с.

3. ЕМИСС государственная статистика [Электронный ресурс]. URL: http://www.fedstat.ru/indicators/stat.do (дата обращения: 24.04.2017).

4. Атомно-абсорбционные методы определения токсичных элементов в пищевых продуктах и пищевом сырье. М., 1992.

5. Методические указания по колориметрическому определению микроэлементов в кормах и растениях. М.: ЦИНАО, 1977, 39 с.

6. Черных Н.А., Сидоренко С. Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере. М. : Изд-во РУДН, 2003. 430 с.

7. Лукин С.В. Агроэкологическое состояние и продуктивность почв. Белгород: КОНСТАНТА, 2016. 344 с.

8. Хижняк Р.М. Экологическая оценка содержания микроэлементов (Zn, Cu, Co, Мо, Cr, Ni) в агроэкосистемахлесостепной зоны юго-западной части ЦЧО: автореф. дис.... канд. биол. наук. М.: РГАУ- МСХА им. К.А. Тимирязева, 2016. 24 с.

9. Мальцева Н., Якунина Н., Ядрищенская О. Соя полножировая в кормлении кур несушек // Комбикорма. 2007. № 4. С. 51-52.

10. Фатеев А. И., Захарова М. А. Основы применения микроудобрений. Харьков: Изд-во «Типография №13», 2005. 134 с.

AGROECOLOGICAL ASSESSMENT OF MICROELEMENT COMPOSITION OF SOYBEAN PLANTS

S.V. Lukin1, S.V. Selyukova2

Center of Agrochemical Service "Belgorodsky", ul. Shchorsa, 8, Belgorod, 308027, Russian Federation 2Belgorod State National Research University (NRU "BelSU"), ul. Pobedy, 85, korp.14, Belgorod, 308015, Russian Federation Abstract. The research was carried out in Belgorod region on the reference sites of local agroecological monitoring. The soil cover of the reference sites is represented by the soils predominant in the region: typical chernozems and leached chernozems. The purpose of the research was to analyze and estimate the of basic microelements accumulation in soybean plants. The total content of microelements was determined according to the common methods, of mobile forms of molybdenum - according to Grigg's method with the use of oxalate buffer solution with pH of 3.3 for the extraction, of mobile forms of zinc, copper, cobalt, chrome, nickel, cadmium and lead - with the use of acetate-ammonium buffer with pH of 4.8. The concentration of zinc, copper, lead and cadmium in plant produce was determined according to GOST 30692-2000, of arsenic - according to GOST 26930-86, of mercury - according to GOST 26927-86, of cobalt - according to OST 10.155-88, of nickel and chrome - according to the common method, of molybdenum - by colorimetric method. According to the content in beans of soybean, the trace elements under study can be put in a decreasing series: Zn, Cu, Ni, Mo, Pb, Cr, Co, Cd, As, Hg. Beans of soybean, compared with the grain of winter wheat, contain 3.4 times more copper, 3.1 times more molybdenum, and the content of cobalt is 3.3 times less. Soybean is characterized by a very high accumulation of nickel. The content of this element in beans was 5.15 mg/kg, which is 8.2 times higher than in corn grain. The content of zinc, copper, nickel, molybdenum, and chromium in soybean beans was higher than in straw; and the concentrations of lead, cobalt, cadmium, arsenic and mercury in straw were higher than in beans. The content of the most toxic elements (Pb, Cd, As, Hg) in soybean beans did not exceed the regulated permissible levels for food products.

Keywords: zinc, copper, cobalt, molybdenum, chromium, nickel, cadmium, lead, mercury, arsenic, microelements, soybean, soil. Author Details: S.V. Lukin, D. Sc. (Agr.), director (e-mail: serg.lukin2010@yandex.ru); S.V. Selyukova, post graduate student (e-mail: oha_agrohim_31@mail.ru).

For citation: Lukin S.V., Selyukova S.V. Agroecological Assessment of Microelement Composition of Soybean Plants. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2017. Vol. 31. No. 6. Pp. 34-36 (in Russ.).