Влияние использования удобрений на накопление марганца сельскохозяйственными культурами

Вестник ДВО РАН. 2014. № 5

УДК 631.416.9.

С В. КЛЫШЕВСКАЯ, Я.О. ТИМОФЕЕВА, М Л. БУРДУКОВСКИЙ

Влияние использования удобрений на накопление марганца сельскохозяйственными культурами

Исследованиями установлено, что при длительном интенсивном применении удобрений в почвах уменьшается содержание доступных форм марганца и снижается его поступление в растения.

Ключевые слова: длительное применение удобрений, микроэлементы, валовые, подвижные формы, изменение содержания.

Effect of fertilization by crops on accumulation of manganese. S.V. KLYSHEVSKAYA, Ya.O. TIMOFEEVA, M.L. BURDUKOVSKY (Institute of Biology and Soil science, FEB RAS, Vladivostok).

Investigations established that under the intensive and prolonged application of fertilizers, the content of the accessible forms of manganese in soils decrease and its delivery to plants reduces.

Key words: cumulative fertilization, trace elements, total, movable forms, content change.

Высокий уровень сельскохозяйственного производства невозможен без применения удобрений. В то же время интенсивное использование традиционных минеральных удобрений (азотных, фосфорных, калийных), способствуя росту урожайности возделываемых культур, ведет к одностороннему выносу ряда питательных элементов из почв и как следствие - к нарушению элементного баланса в системе «почва-растение». Это наиболее актуально для микроэлементов, запасы которых не пополняются традиционно вносимыми удобрениями. По результатам многочисленных исследований, только комплексное применение удобрений обеспечивает сбалансированное питание растений макро- и микроэлементами [2, 3, 9, 10]. Для установления причин недостатка микроэлементов в почве необходимо углубленное изучение круговорота и путей миграции микроэлементов в агроценозах. Эффективность применяемых микроудобрений зависит от почвенных условий: наличия доступных форм микроэлементов, реакции среды и потребности в них растений.

Одним из наиболее необходимых для растений микроэлементов является марганец. Попытки вырастить растения без марганца или заменить его каким-либо другим элементом не дали результатов [8]. Роль марганца в обмене веществ у растений связана с активизацией многочисленных (более 35) ферментов, участвующих в реакциях фосфорилирова-ния, окисления-восстановления, декарбоксилирования и гидролиза [4].

Цель настоящей работы - определить влияние использования традиционных удобрений на содержание марганца в пахотных почвах и поступление этого микроэлемента в наиболее распространенные сельскохозяйственные культуры.

*КЛЫШЕВСКАЯ Серафима Владимировна - научный сотрудник, ТИМОФЕЕВА Яна Олеговна - кандидат биологических наук, заведующая сектором, БУРДУКОВСКИЙ Максим Леонидович - младший научный сотрудник (Биолого-почвенный институт ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: klyshevskaya@ibss.dvo.ru

Объекты и методы исследований

Исследования проводились на делянках длительных полевых опытов на лугово-бурой черноземовидной почве (Амурская область, агрохимический стационар НИИсои, опыт ведется с 1962 г.), лугово-бурой оглеенной почве (Хабаровский край, стационар ДальНИИСХ, опыт ведется с 1963 г.) и лугово-бурой оподзоленной почве (Приморский край, стационар ПримНИИСХ, опыт ведется с 1941 г.). Также на лугово-бурой оподзоленной почве были заложены кратковременные полевые и вегетационные опыты с пшеницей (сорт Приморская 40), овсом (сорт Амурский) и соей (сорт Приморская 69). Опыты проводили по общепринятым методикам [1].

Эксперимент в полевых условиях проводили на делянках площадью 25 м2 в 3-кратной повторности (n = 9). В полевом севообороте были выбраны два контрольных варианта опытов: 1) без внесения удобрений, 2) с одинарной нормой внесения удобрений. Удобрения вносили в форме гранулированной мочевины, суперфосфата двойного, хлористого калия, навоза. В вегетационном опыте в почву вносили минеральные и специализированные марганцевые удобрения. Дозы удобрений, вносимых за одну ротацию, составили: на лугово-бурых черноземовидных почвах - навоз 24 т/га + N150P165K120 д.н./га, на лугово-бурых оподзоленных и оглеенных почвах - навоз 40 т/га + N150P200K150 д.н./га. Марганец вносили в оптимальных (одинарных) для культур и удвоенных дозах.

В почвенных образцах определяли содержание различных форм Mn. Экстракцию валовых форм проводили после полного химического разложения пробы с предварительным сплавлением с щелочным плавнем. При определении подвижных форм была проведена экстракция в кислотной (1,0 н. HCl) и водной вытяжках. Марганец из растительных образцов извлекали методом сухого озоления [11, 13]. Для оценки эффективности поглощения марганца использовали коэффициент биологического поглощения (КБП), представляющий собой частное от деления содержания микроэлемента в золе растительного материала на его содержание в корнеобитаемом слое почвы [5].

Результаты и обсуждение

Содержание валовой формы марганца в исследуемых почвах находится в пределах 1204-1461 мг/кг, что в 1,5 раза выше среднего кларкового показателя для почв России. Это связано с наличием в регионе железомарганцевого пояса [6, 12].

Количество подвижных форм марганца в почве зависит от ряда условий (уровня увлажнения, типа растительности, типов и доз вносимых удобрений, реакции почвенной среды). Наиболее существенное влияние на подвижность элемента оказывает известкование [8, 9]. Известкование переводит соединения почвенного марганца в недоступные для питания растений формы, что и показали результаты наших опытов (табл. 1).

В опытах в вариантах с внесением макроудобрений наблюдалось уменьшение содержания доступных для растений форм почвенного марганца по сравнению с контролем. При длительном применении удобрений произошло резкое снижение подвижных форм марганца (рис. 1). Это подтверждают результаты более ранних исследований, где отмечено снижение содержания подвижных форм микроэлементов на 30-40 % [7].

Из анализа результатов вегетационных опытов следует, что внесение максимальных доз фосфорных удобрений (Р200) способствовало незначительному (на 5-7 %) увеличению содержания подвижного марганца (рис. 2). Применение комплекса питательных элементов в виде повышенных доз №К понижало количество Мп в среднем на 10-12 %. Результаты настоящих исследований свидетельствуют о том, что известкование ограничивает поступление марганца в растения, что, в свою очередь, вызывает дефицит этого микроэлемента для растений и обусловливает необходимость применения специфических Мп-содержащих микроудобрений.

Содержание различных форм Мп в лугово-бурой оподзоленной почве, мг/кг

Вариант опыта Валовая форма Подвижная форма

1н. НС1 н,о

Поле занято соей

Контроль 1362,15 488,02 0,51

ОТК + известь + навоз 1204,10 457,69 0,38

Поле занято пшеницей

Контроль 1460,92 404,51 0,42

ОТК + известь + навоз 1313,80 358,04 0,29

Рис. 1. Влияние длительного применения удобрений и извести на содержание марганца в лугово-бурой оподзоленной почве

Для выяснения эффективности применения марганцевых удобрений был заложен опыт по их внесению в почву. В вегетационном опыте с пшеницей вносили минеральные удобрения в оптимальных -Н,0Р60К60 (КРК) и тройных -

^70Р180К180 ВД^ д°3ах' микроудобрения - в оптимальных

дозах (Мп15). Исследовали влияние вносимых удобрений на общую урожайность культур и увеличение товарной части урожая (в процентном отношении к общей массе). Совместное внесение микроудобрений и извести дало максимальную прибавку урожая овса, двойные дозы - сои. В опыте учитывали урожай зеленой массы пшеницы, а также соотношение зеленой массы и массы корней растений. Наибольшая прибавка к урожаю зеленой массы пшеницы отмечена в вариантах ^Р3К3, №3К и №К в сочетании с микроудобрениями. Применение повышенных доз азотных и минеральных удобрений в комплексе, а также внесение с ними марганца способствовали увеличению соотношения надземная масса : корни; максимума оно достигло в варианте №К + Мп, внесение удвоенных доз марганцевых удобрений привело к увеличению содержания этого микроэлемента в растениях (табл. 2, 3).

Внесение микроудобрений в удвоенной дозе значительно повысило содержание марганца во всех частях растений овса. Одинарные дозы практически не сказались на поступлении марганца в растение, известкование привело к уменьшению его количества.

Рис. 2. Влияние удобрений на содержание марганца в лугово-бурой оподзоленной почве

Урожайность овса и сои при внесении удобрений и извести в вегетационном опыте

Овес Соя

Вариант опыта Урожайность, г/сосуд Прибавка, % к контролю Урожайность, г/сосуд Прибавка, % к контролю

Контроль 2,3 - 12,5 -

ОТК + Мп15 2,0 7,6 14,3 14,4

ОТК + Мп30 23,5 5,4 16,6 32,8

ОТК + Мп15 + известь 27,6 23,8 15,5 24,0

Таблица 3

Урожайность зеленой массы пшеницы в вегетационном опыте

Вариант опыта Урожайность, Прибавка к контролю Соотношение

г/сосуд г/сосуд % зеленая масса / корни

Контроль 2,37 - - 2,2/1

ОТК 4,73 2,36 99,58 1,6/1

^РК 3,68 1,31 55,27 2,7/1

№3К 6,75 4,38 184,81 1,8/1

№К3 5,15 2,78 117,30 1,9/1

^Р3К3 6,51 4,14 174,68 2,8/1

ОТК + Мп 4,91 2,54 107,17 3,8/1

К,Р3К3 + Мп 7,12 4,75 200,42 2,9/1

^РК + Мп 3,89 1,52 64,14 3,2/1

№3К + Мп 5,08 2,71 114,35 1,8/1

№К3 + Мп 3,85 1,48 62,45 1,7/1

Таблица 4

Накопление Mn возделываемыми культурами (лугово-бурая оподзоленная почва), г/га

Вариант опыта Части растений

Соя Контроль ОТК + известь + навоз Корни Стебли Створки бобов Бобы Вся биомасса

22,266 58,190 3,751 19,053 103,26 21,6 56,3 3,6 18,5 100 21,394 106,025 4,721 27,043 159,183 13,4 66,6 3,0 17,0 100

Пшеница Контроль ОТК + известь + навоз Корни Солома Полова Зерно Вся биомасса

55,492 26,050 11,238 36,044 128,824 43,1 20,2 8,7 28,0 100 64,274 27,749 10,711 40,844 143,578 44,8 19,3 7,5 28,4 100

Примечание. Над чертой - накопление элементов различными фракциями растений, под чертой - процент от общего выноса.

Соя не накапливала марганец при внесении удобрений, его содержание в соломе уменьшилось по сравнению с контролем, а в корнях значительно (на 20-50 %) увеличилось при внесении одинарных доз микроудобрений. Наибольшая аккумуляция марганца наблюдалась в растениях овса. Более активное накопление элементов растениями повлечет за собой, по-видимому, и больший их вынос с отчуждаемой части урожая. Поступление элементов в органы овса уменьшается от корней к зерну. Для марганца это можно представить (в порядке уменьшения) как следующий ряд: корни - зерно - солома. Растения сои накапливают микроэлементы в меньшем количестве, причем распределение их в органах различно (табл. 4, 5).

Баланс Mn в посевах возделываемых культур (лугово-бурая оподзоленная почва), г/га

Вариант опыта Содержание во всей биомассе Хозяйственный вынос Возврат в почву

Соя Контроль ОТК + известь + навоз

103,26 80,994 22,266 159,183 137,789 21,394

Пшеница Контроль ОТК + известь + навоз

128,824 62,094 66,73 143,578 68,593 74,885

Исследования состава золы различных частей растений показывают, что наибольшее количество марганца содержится в корнях, затем следует надземная вегетативная масса (стебли, листья), наименьшее количество Мп - в зерне, плодах (табл. 6).

Разницу в уровнях содержания микроэлементов в органах растительного организма можно объяснить наличием двух путей перемещения зольных элементов в растении: апоплазматического и симплазматического. Апоплазматический путь проходит по свободному межклеточному пространству по принципу диффузии и потока воды с растворенными в ней веществами. Этим путем в растения могут поступать даже случайные и ненужные для нормального метаболизма элементы, в том числе металлы. Вероятность поступления в растения металлов возрастает с увеличением их содержания в почвенном растворе. Симплазматический путь проходит между клетками через клеточные мембраны и носит избирательный характер, являясь биологическим фильтром и защищая органы растений от случайных или ненужных соединений элементов. В вегетативные части рас-

Таблица 6

Поступление марганца в органы растений при внесении удобрений и извести в вегетационном опыте, мг/кг

Вариант опыта Овес Соя

Контроль Зерно 19,0 Бобы 11,3

ОТК + Мп15 20,7 11,3

ОТК + Мп30 24,3 10,7

ОТК + Мп15 + известь 17,7 10,7

Контроль Солома 12,7 Стебли 7,0

ОТК + Мп15 11,6 6,7

ОТК + Мп30 13,3 4,0

ОТК + Мп15+известь 10,7 4,7

Контроль Корни 130,0 Корни 22,0

ОТК + Мп15 130,0 37,3

ОТК + Мп30 149,0 18,7

ОТК + Мп15+известь 97,0 21,3

Таблица 7

Коэффициент биологического поглощения Mn отдельными частями растений

Вариант опыта

Соя Корни Стебли Створки бобов Бобы

Контроль 0,0456 0,0158 0,0110 0,0107

ОТК + известь + навоз 0,03789 0,0199 0,0102 0,0099

Пшеница Корни Солома Полова Зерно

Контроль 0,038 0,008 0,013 0,013

ОТК + известь + навоз 0,033 0,007 0,009 0,012

тений ионы металлов поступают преимущественно апоплазматическим путем, в репродуктивные органы - симплазматическим [11].

Расчеты коэффициента биологического поглощения (КБП) марганца исследуемыми культурами показали, что в корнях и стеблях сои его величина наибольшая (0,02-0,05), а у пшеницы максимальное значение КБП отмечено в корнях (0,03-0,04) (табл. 7).

Заключение

Интенсивное внесение извести и минеральных удобрений уменьшает содержание подвижных форм рассматриваемого элемента в почвах, использование органических удобрений несколько сдерживает процесс истощения почв марганцем, но не устраняет его полностью. Поэтому внесение марганцевых микроудобрений является незаменимым приемом пополнения его количества в почвах и растениях, способствующим росту урожайности сельскохозяйственных культур.

Результаты исследований позволяют заключить, что злаковые культуры (овес, пшеница) являются агрохимически активными в отношении микроэлементов, т.е. способны энергично потреблять их из почвы и накапливать в своих тканях. Наши исследования подтвердили эффективность применения микроудобрений для увеличения урожайности и качественного состава основных культур, выращиваемых на пахотных почвах Приморского края, особенно в условиях интенсивного внесения минеральных удобрений и извести.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агрохимические методы исследования почв / под ред. А.В. Соколова. М.: Наука, 1975. 656 с.

2. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. М.: Агропромиздат, 1987. 142 с.

3. Анспок П.И. Микроудобрения. Л.: Агропромиздат, 1990. 272 с.

4. Гогмачадзе Г.Д. Агроэкологический мониторинг почв и земельных ресурсов Российской Федерации. М.: Изд-во МГУ, 2010. 592 с.

5. Елпатьевский П.В. Геохимия миграционных потоков в природных и природнотехногенных геосистемах. М.: Наука, 1993. 253 с.

6. Ильин Б.В. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск: Наука, 1991. 151 с.

7. Клышевская С.В. Изменение содержания микроэлементов в почвах при агромелиорации // Вестн. Крас-ГАУ 2010. № 10. С. 45-48.

8. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука, 1985. 263 с.

9. Минеев В.Г. История и состояние агрохимии на рубеже XXI века. М.: Изд-во МГУ, 2002. 615 с.

10. Практикум по агрохимии / под ред. В.Г. Минеева. М.: Изд-во МГУ, 1989. 304 с.

11. Трифонова Т. А., Селиванова Н.В., Мищенко Н.В. Прикладная экология: учеб. пособие. М.: Академический Проект, 2007. 382 с.

12. Фомин Г.С., Фомин А.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам. М.: Протектор, 2001. 304 с.

13. Характеристика агроземов Приморья. Уссурийск: ФГУ ГЦАС «Приморский»; ДВО ДОП РАН, 2001. 172 с.