Оценка эффективности использования детоксикантов кадмия при выращивании зерновых культур в полевых условиях

6. Заворуева Е.Н., Заворуев В.В. Флуоресцентный мониторинг фотосинтетического аппарата мелколиственных деревьев при антропогенном воздействии // Оптика атмосферы и океана. - 2006. - Т. 19. -№ 4. - С. 319-321.

7. Zavoruev V.V., Zavorueva E.N., Shelegov A.V. Fluorescence of Cucumber Leaves Induced within the Pho-toexcition Wavelength Range 380-540 nm and Its Dependence on Vegetation Time and Illumination Regime // Biofizika. - 2000. -V. 45. - № 4. - P. 704-711.

8. Заворуев В.В., Шелегов А.В., Заворуева Е.Н. Двухволновой флуориметр для исследования люминесценции растений. - Красноярск, 1995. - 22 с. (препринт № 226 Б / ИБФ СО РАН).

9. Lichtenthaler H.K., Rindler U. The Role of Chlorophyll Fluorescence in Letection Stress Condition in Plants // CRC Crit. Rev. Anal. Chem. - 1988. - V. 19. - S. 1. - S. 29-85.

10. Wintermans I.F., De Mots A. Spectrophotometric Characteristics of Chlorophyll a and b their Pheophytins in Ethanol // Biochim. Biophys. Acta. - 1965. - V. 109. - P. 448-453.

11. Temperature Dependence of Growth, Development, and Photosynthesis in Maize under Elevated CO2 /

S.-H. Kima [et al.] // Environmental and Experimental Botany. - 2007. - V. 61. - P. 224-236.

12. Sonoike K. Various Aspects of Inhibition of Photosynthesis under Light / Chilling Stress: Photoinhibition at Chilling Temperatures versus Chilling Damage in the Light // J. Plant Res. - 1998. - V. 111. - P. 121-129.

13. Буренин Н.С. Некоторые результаты наблюдений за загрязнением воздуха на автомагистралях // Тр. ГГО. - 1974. - Вып. 314. - С. 136-147.

14. Peterson R.B. Effects of O2 and CO2 Concentration on Quantum Yields of Photosystems I and II in Tobacco Leaf Tissue // Plant Physiol. - 1991. - V. 97. - P. 1388-1394.

15. Saton A., Kurano N., Senger H., Miyachi S. Regulation of Energy Balance in Photosystems in Response to Change in CO2 Concentrations and Light Intensities during Growth in Extremely-High-CO2-Tolerant Green Microalgae // Plant Cell Physiology. - 2002. - V. 43. - № 4. - P. 440-451.

УДК 631.81:546.48 Е.Н. Конышева, С.Ю. Шекк

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЕТОКСИКАНТОВ КАДМИЯ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Изучено влияние фитотоксичности кадмия в условиях микрополевого опыта на хозяйственно ценные признаки зерновых культур. Установлены наиболее эффективные детоксиканты при выращивании ярового ячменя и пшеницы при высоком уровне загрязнения почв кадмием.

Ключевые слова: кадмий, детоксиканты, гумат натрия, суперфосфат, катионит, птичий помет, структура урожая, ячмень, пшеница.

E.N. Konysheva, S.Yu. Shekk

ESTIMATION OF CADMIUM DETOXICANT APPLICATION EFFICIENCY FOR GRAIN CROP CULTIVATION IN THE FIELD CONDITIONS

Cadmium phytotoxicity influence in the microfield experiment conditions on the economic valuable properties of grain crops is researched. The most effective detoxicants in the process of summer barley and wheat cultivation at high level soil pollution by cadmium are determined.

Key words: cadmium, detoxicants, sodium humate, superphosphate, cationite, bird dung, crop structure, barley, wheat.

Защита окружающей среды от загрязнения в условиях интенсивного антропогенного воздействия на объекты биосферы является глобальной экологической проблемой. Нарушение экологического равновесия в природе сказывается на таких важных составляющих агроэкосистемы, как почва и растения. Одним из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды по токсичности, подвижности, способности накапливаться в пищевых цепях является кадмий [1-3]. Увеличение загрязнения окружающей среды кадмием вызывает необходимость изучения влияния высоких концентраций кадмия на живые организмы [4, 5]. Период полу-

распада кадмия составляет от 13 до 110 лет. Основным источником поступления кадмия в пищевые цепи являются почвы. Поступая в почву, кадмий влияет на биологические, химические и физические свойства, ухудшая тем самым почвенное плодородие. Кроме того, кадмий оказывает прямое воздействие на растения, нарушая метаболизм, снижая продуктивность и качество растениеводческой продукции [6].

Производство доброкачественной сельскохозяйственной продукции в условиях резкого увеличения поступления в почву токсичных веществ практически невозможно без проведения дорогостоящих детоксика-ционных мероприятий. Поэтому исследование мероприятий по инактивации почв является актуальной проблемой в земледелии и необходимо для предотвращения миграции ионов тяжелых металлов по пищевым цепям в экосистеме.

Цель настоящей работы - оценка эффективности использования детоксикантов (гумат натрия, суперфосфат, катионит и птичий помет) при выращивании зерновых культур в условиях загрязнения почв кадмием.

В качестве модельных объектов исследования выбраны сорт пшеницы Новосибирская 29 и сорт ярового ячменя Красноярский 80.

Поведение тяжелых металлов в системе почва-растение изучали в условиях микрополевого опыта на черноземе выщелоченном, среднегумусированном, тяжелосуглинистом. Почву весом 10 кг помещали в полиэтиленовые сосуды без дна, которые зарывали в траншеи. Площадь делянки - 0,3 м2. Тяжелые металлы вносились в 0-20 слой почвы в виде хорошо растворимой соли 3CdSO^8H20 в концентрации от 1 до 5 ПДК. Расчет концентраций проводили согласно данным ПДК [7]. Одновременно в сосуды согласно схеме добавлялись детоксиканты: гумат натрия в количестве 0,15 г, суперфосфат - 3,75 г, катионит - 1,5 г, птичий помет

- 15 г в расчете на 1 кг почвы. После внесения ТМ и детоксикантов почва инкубировалась в течение 7 дней. Исследования проводились в 4-х повторностях.

Анализ структуры урожая растений, выращенных в поле, проводился в соответствии с рекомендациями ВИР по оценке коллекции зерновых культур по следующим показателям: высота растений, длина главного колоса, продуктивная кустистость, озерненность колоса, масса зерен с одного колоса, масса 1000 зерен.

Статистическую обработку проводили при помощи пакета Microsoft Excel 97 для Windows и компьютерного пакета статистических программ «Snedecor». Для всех средних величин рассчитывалась стандартная ошибка, результаты исследований подвергнуты дисперсионному и корреляционному анализу и многомерному ранжированию.

Результаты полевых испытаний зерновых культур на искусственно загрязненных почвах сульфатом кадмия свидетельствуют об их токсичном влиянии на морфометрические и продуктивные показатели. Оценивая высоту растений (рис. 1), установлено незначительное отрицательное действие различных концентраций кадмия. Применение мелиорирующих средств для инактивации почв привело к стимулированию роста зерновых.

В вариантах с кадмием отмечается достоверное (Р<0,01; Р<0,05) снижение продуктивной кустистости зерновых культур (рис. 2). Угнетение составляет от 5 до 16%. Наблюдается в основном повышение этого показателя в опытах с детоксикантами, причем наибольший эффект установлен при использовании птичьего помета и ионообменной смолы.

Рис. 1. Влияние кадмия и его детоксикантов на высоту зерновых культур:

а - пшеница; б - ячмень

Рис. 2. Влияние кадмия и его детоксикантов на продуктивную кустистость зерновых культур:

а - пшеница; б - ячмень

Длина главного колоса (рис. 3) у пшеницы, выращенной в условиях загрязнения почв кадмием в высокой концентрации (4 и 5 ПДК), достоверно (Р<0,01) ниже контроля. У ячменя наблюдается достоверная (Р<0,01; Р<0,05) депрессия роста колоса даже при низком уровне загрязнения. В опытах с детоксикантами отмечается увеличение длины колоса до контрольной величины.

Установлено негативное влияние всех доз токсиканта (Р<0,01; Р<0,05) на озерненность колоса (рис. 4). Так, например, при концентрации кадмия в почве, равной 5 ПДК, уменьшение озерненности колоса по сравнению с контролем составляет более 13%. Применение детоксикантов оказало положительное действие на формирование колоса и его длину, особенно при повышении уровня загрязнения почвы.

120

100

80

60

40

20

0

контроль  СЯ

В СЯ+суперфоофат ЕЗ СЯ+катионит

3 СЯ+гумат №

] СЯ+птичий поме

контроль 1ПД К 2ПД К 3ПДК 4 ПДК 5ПДК

б

а

Рис. 3. Влияние кадмия и его детоксикантов на длину главного колоса зерновых культур:

а - пшеница; б - ячмень

контроль  СЯ  СЯ+гумат №

СЯ+суперфоофат 0 СЯ+катионит  СЯ+птичий помет

0,96

0,94

0,92

0,9

0,88

0,86

0,84

0,82

0,8

0,78

0,76

контроль 1 ПДК 2 ПДК 3ПДК 4 ПДК 5ПДК

а б

Рис. 4. Влияние кадмия и его детоксикантов на озерненность колоса зерновых культур:

а - пшеница; б - ячмень

По показателю масса зерен с одного колоса (рис. 5) и масса 1000 зерен (рис. 6) выявлены значимые снижения (Р<0,01; Р<0,05) в вариантах, выращенных на загрязненных почвах кадмием в высоких концентрациях. Масса зерен с колоса снижается от 5 до 26%, соответственно и масса 1000 зерен. Зерно в этих вариантах оказалось щуплым и мелким. Применение мелиорирующих средств повысило массу зерна. При высокой степени загрязнения почв кадмием наибольший эффект отмечен при использовании в качестве детоксикантов катионита и птичьего помета.

контроль В СЯ+суперфоофат

Осі

СЯ+катионит

СС+гумат №

В СЯ+птичий помет

б

Рис. 5. Влияние кадмия и его детоксикантов на массу зерна с одного колоса зерновых культур:

а - пшеница; б - ячмень

а

Рис. 6. Влияние кадмия и его детоксикантов на массу 1000 зерен зерновых культур:

а - пшеница; б - ячмень

Анализ коэффициентов парной корреляции между морфометрическими и продуктивными показателями пшеницы и ячменя (табл. 1) показал, что наблюдается положительная тесная связь между всеми исследуемыми показателями, за исключением высоты растений. Она не оказывает значимого влияния на хозяйственно ценные признаки зерновых культур.

Ранжирование показателей структуры урожая пшеницы и их сравнение по соответствующему критерию рангов показало (табл. 2), что лучшими и близкими к лучшим по всему комплексу признаков стали образцы, выращенные на почвах, загрязненных кадмием, с применением всех детоксицирующих средств. Так, при высокой степени загрязненности почвы кадмием наиболее эффективным мелиорантом оказалась ионообменная смола - катионит. Второе место принадлежит птичьему помету.

Таблица 1

Коэффициенты парной корреляции элементов структуры урожая зерновых культур

Культура Признак Продуктивная кустистость Длина главного колоса Озерненность колоса Масса зерен с колоса Масса 1000 зерен

Пшеница Высота растений -0,0513 0,2470 -0,0169 0,0472 0,1371

Ячмень -0,1463 0,0084 -0,2475 -0,0807 -0,2474

Пшеница Продуктивная кустистость 1,00 0,7000* 0,6898* 0,6955* 0,7272*

Ячмень 1,00 0,7194* 0,5335* 0,5371* 0,7684*

Пшеница Длина главного колоса 1,00 0,5067* 0,6765* 0,7315*

Ячмень 1,00 0,5241* 0,6532* 0,7068*

Пшеница Озерненность колоса 1,00 0,5818* 0,7084*

Ячмень 1,00 0,7885* 0,6386*

Пшеница Масса зерен с колоса 1,00 0,8675*

Ячмень 1,00 0,6628*

Образцы, выращенные на почвах с использованием гумата Na, занимают промежуточное положение. Только при высокой концентрации кадмия в почве гумат Na не оказал должного влияния. Вероятно, для достижения нужного действия в условиях высокого уровня загрязнения, необходимо пересмотреть концентрацию внесения препарата. По совокупности признаков применение суперфосфата возможно только при низкой степени загрязнения почв кадмием.

Таблица 2

Многомерное ранжирование результатов оценки влияния кадмия и мелиорирующих средств по совокупности хозяйственно ценных признаков зерновых культур

Яровая пшеница Яровой ячмень

Вариант Сумма рангов Вариант Сумма рангов

Группа «лучших» объектов

Контроль 134,5 4 Cd +катионит 134,5

5 Cd +катионит 126,0 контроль 126,0

4 Cd +катионит 116,5 3 Cd +катионит 116,5

3 Cd+птичий помет 116,5 3 Cd+птичий помет 114,5

1 Cd+птичий помет 105,5 1 Cd+птичий помет 104,0

1 Cd+гумат Na 101,0 2 Cd+птичий помет 99,5

1 Cd+ суперфосфат 101,0 2 Cd+ суперфосфат 99,5

5 Cd+птичий помет 98,5 1 Cd+ суперфосфат 99,0

Группа «худших» объектов

1 Cd +катионит 69,0 2Cd+гумат Na 71,5

2 Cd 64,0 2 Cd +катионит 67,5

4 Cd+ суперфосфат 63,5 5 Cd+ суперфосфат 63,0

1 Cd 61,0 2 Cd 42,0

3 Cd+ суперфосфат 59,0 3 Cd 39,5

3 Cd 38,0 4 Cd 33,0

4 Cd 17,0 5 Cd+гумат Na 28,0

5 Cd 9,0 5 Cd 26,5

Наименьшая сумма рангов по совокупности всех исследуемых показателей установлена у образцов, выращенных на загрязненных почвах сульфатом кадмия без применения детоксицирующих средств, они и составили группу худших образцов по хозяйственно ценным признакам.

Таким образом, в результате исследований установлено, что при выращивании ярового ячменя в условиях загрязнения почв кадмием происходит снижение уровня хозяйственно ценных признаков зерновых культур, причем при повышении концентрации токсиканта отрицательный эффект усиливается.

При применении детоксикантов отмечается увеличение длины колоса до контрольной величины, выявлено положительное действие их на формирование колоса и его длину, особенно при высоком уровне загрязнения почвы.

Применение мелиорирующих средств привело к повышению массы зерна, однако она была ниже контрольной величины. Вероятно, необходимо увеличение норм внесения детоксикантов.

В целом, по совокупности признаков выявлено положительное действие детоксицирующих веществ при загрязнении почв сульфатом кадмия на хозяйственно ценные признаки ярового ячменя сорта Красноярский 80 и пшеницы сорта Новосибирская 29. Наиболее эффективными антидотами в результате исследований оказались ионообменная смола - катионит и птичий помет.

Литература

1. Ильин В.Б., Сысо А.И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. - 229 С.

2. Кабата-Пендиас А., ПендиасХ. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 439 с.

3. Рэуце К., Корыстя С. Борьба с загрязнением почвы. - М.: ВО Агропромиздат, 1986. - 221 с.

4. Степанюк В.В. Влияние соединений кадмия на урожай и элементный состав сельскохозяйственных культур // Агрохимия. - 1998. - №6. - С. 74-79.

5. Титов А.Ф., Лайдинен Г.Ф., Казнина Н.М. Влияние высоких концентраций кадмия на рост и развитие ячменя и овса на ранних этапах онтогенеза // Агрохимия. - 2002. - №9. - С. 61-65.

6. Вальков В.Ф., Колесников С.И., Казеев К.Ш. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на фитотоксичность чернозема // Агрохимия. - 1997. - №6. - С. 50-55.

7. Химическое загрязнение почв и их охрана: слов.-справ. / Д.С.Орлов [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1991.

- 303 с.