Микроэлементы в растениях сои Дальневосточного региона России

Вестник ДВО РАН. 2017. № 2

УДК 631.95

Я.О. ТИМОФЕЕВА, В.И. ГОЛОВ, Ю.А. КОШЕЛЕВА

Микроэлементы в растениях сои Дальневосточного региона России

Изучение микроэлементного состава растений сои, выращенных в Амурской области и Приморском крае, показало, что они имеют схожий набор химических элементов, но отличаются по их концентрации и устойчивости к избыточному поступлению микроэлементов в питательную почвенную среду. Специфика содержания микроэлементов в растениях сои обусловлена длительным использованием органо-минеральных удобрений, в результате чего увеличилось содержание в растительной ткани Pb, Cd, Cu и снизились защитные возможности растений.

Ключевые слова: микроэлементы, соя, биологический круговорот.

Trace elements in soybean plants of the Russian Far East region. Ya.O. TIMOFEEVA, V.I. GOLOV, Yu.A. KOSHELEVA (Federal Scientific Center of fhe East Asia Terrestrial Biodiversity, FEB RAS, Vladivostok).

The study of the trace element composition of soybean plants that were grown in the Amur Region and Primorsky Region showed that along with similar set of chemical elements, plants are characterized by different concentration and different resistance to excessive input of micronutrients in soil environment. The specific content of trace elements in soybean plants caused by prolonged use of different organomineral fertilizers. The use of fertilizers resulted in increased content of Pb, Cd, Cu in plant tissue and decrease the protective capacity of plants.

Key words: trace elements, soy, biological cycle.

Микроэлементы - неотъемлемые компоненты и активаторы жизненно важных биохимических процессов - в организм человека поступают в основном с пищевыми продуктами сельскохозяйственного производства. Питьевая вода обеспечивает только 1-10 % суточной потребности в таких микроэлементах, как I, Cu, Zn, Mn, Со, Mo, хотя для отдельных микроэлементов (F, Sr) она служит главным источником [8].

Элементный состав растений определяется потребностями, биологическими особенностями растительных организмов и содержанием элементов питания в почвенной среде [4]. Полный цикл биологического круговорота микроэлементов в биоценозах состоит в поглощении их растениями и поступлении в почву после отмирания растений. В агро-фитоценозах круговорот микроэлементов в значительной мере зависит от внесения их с удобрениями и от выноса с биомассой возделываемых культур. С полей убирается от 20 до 80 % всей биопродукции, что влечет за собой изменение баланса элементов в системе [7]. Полученные ранее результаты исследований выявили наличие микроэлементного истощения пахотных горизонтов почв, используемых в сельскохозяйственном производстве на Дальнем Востоке [6, 10]. Кроме того, процессы почвообразования здесь зачастую сопровождаются формированием почвенных железомарганцевых конкреций [11, 12]. Микроэлементы активно аккумулируются конкрециями, становятся малоподвижными, недоступными для растений и выходят из биологического круговорота на неопределенное время [12].

*ТИМОФЕЕВА Яна Олеговна - кандидат биологических наук, заведующая сектором, ГОЛОВ Владимир Иванович - доктор биологических наук, главный научный сотрудник, КОШЕЛЕВА Юлия Андреевна - аспирант, ведущий инженер (Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: timofeeva@biosoil.ru

Избыток или недостаток микроэлементов в почвенной среде приводит к нарушению элементного баланса в растениях и, как следствие, к нарушению физиологических процессов и возникновению эндемичных заболеваний [3, 4, 8].

В настоящее время данные о микроэлементом составе сельскохозяйственных растений, произрастающих в Дальневосточном регионе, весьма разрозненны и не отражают в полной мере уровень содержания микроэлементов в растениеводческой продукции. Цель данной работы - изучить содержание и закономерности распределения микроэлементов в сое, произрастающей в различных почвенно-экологических условиях Амурской области и Приморского края.

Объекты и методы исследований

Одной из наиболее значимых культур, занимающей весомую часть посевных площадей в Дальневосточном регионе, является соя. Исследован растительный материал сои, выращенной на почвах 2 длительных полевых опытов. Опытные участки были заложены на разных типах почв и с разным насыщением их удобрениями: 1) соя сорта Гармо-ния-106 возделывалась на лугово-черноземовидных почвах стационара Всероссийского научно-исследовательского института сои (г. Благовещенск), дозы удобрений за одну ротацию: навоз 24 т/га + N150P165K120 д.н./га; 2) соя сорта Приморская-69 выращена на луго-во-бурых почвах агрохимического стационара Приморского научно-исследовательского института сельского хозяйства (пос. Тимирязевский Приморского края), дозы удобрений за одну ротацию: навоз 40 т/га + известь 5,2 т/га + N150P200K150 д.н./га. Определение микроэлементного состава (Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb) растений выполнено методом атомной абсорбции на спектрофотометре фирмы Perkin Elmer (США). Извлечение элементов из опытных образцов проводилось методом сухого озоления [9].

Результаты и обсуждение

Масштаб поглощения элементов определяется их ролью в жизни растений. Zn, Mn, Cu относят к «элементам жизни», поскольку они участвуют в ключевых метаболических процессах: дыхании, фотосинтезе, углеводном и белковом обмене и т.п. Роль Cr в жизни растений полностью не раскрыта, имеются лишь некоторые сведения о связи его с белковыми молекулами и весьма изменчивом содержании в зависимости от характера растительной ткани и стадии роста [3, 5].

При сравнении с условным кларком растительного вещества установлено, что растения сои, выращенные на контрольных делянках, характеризуются высокой насыщенностью Zn, Ni, Mo, Cr, Cu, Cd и недостатком Mn (табл. 1).

Таблица 1

Среднее содержание микроэлементов (мг/кг сухой массы) в растениях сои в контрольных вариантах опытов

Объект Mn Zn Ni Mo Co Pb Cr Cu Cd

Кларк* 240 50,0 2,0 0,6 1,0 2,5 1,8 10,0 0,005

Соя с участка в Приморском крае 88,3 66,6 18,4 1,3 1,3 3,3 32,9 39,7 0,032

Соя с участка в Амурской области 106,1 79,5 17,4 1,6 0,8 2,6 40,2 31,0 0,060

* По данным В.В. Добровольского [2].

Уровни концентраций микроэлементов в растениях сои, выращенных в разных условиях, несколько различаются. Соя в Амурской области богаче Мп, 2п, Сг и Cd. Соя Приморского края содержит больше Си. Различия в содержании остальных микроэлементов незначительны.

В контрольных вариантах опыта максимальное содержание Мп, Мо, Cd, N1 фиксировалось в корневой фитомассе. Для 2п и Си выявлено максимальное накопление в бобах, а содержание элементов в корнях в 1,5-2 раза ниже. Наблюдается резкое снижение содержания Со и Сг в надземной фитомассе, уменьшение содержания РЬ происходит более плавно. Содержание микроэлементов в отдельных частях и растениях в целом, выращенных на делянках с применением удобрения, меняется. Для одних элементов изменения совершенно незначительны, для других (РЬ, Си и Cd) - весьма существенны, но в целом характер распределения микроэлементов в растениях Амурской области и Приморского края остается неизменным (табл. 2).

Таблица 2

Превышение контрольных значений РЬ, Си и Cd в различных органах растений сои при внесении удобрений

Объект Приморский край Амурская область

Си РЬ Са Си РЬ Са

Корни 16 15 26 18 30 35

Стебли 9 17 23 8 28 60

Листья 0 0 0 0 36 17

Створки бобов 0 11 50 15 90 80

Бобы 3 7 8 0 50 60

В большинстве случаев отмечается увеличение содержания микроэлементов в бобах и стеблях сои. Данный факт указывает на повышенную «пропускную» способность растительных тканей, которая регулируется различными механизмами неспецифической и специфической природы [3]. По всей биомассе растений сои Приморского края при применении органических и минеральных удобрений заметно нарастает содержание Сг, Мп, Cd и Си в меньшей степени - N1. Содержание 2п и Со уменьшается несущественно. В опытных образцах сои, произрастающей на удобряемых делянках в Амурской области, наблюдаются следующие изменения в сравнении с произрастающей на контрольных делянках: содержание Мп в стеблях увеличивается на 25-35 %, в бобах - на 5-15 %, в корнях, напротив, уменьшается на 1-6 %, в листьях и створках бобов падает крайне резко. Листья сои с контрольных делянок Мп содержат в среднем 26,8, створки бобов - 8 мг/кг. При использовании удобрений эти показатели снижаются до 0,46 и 0,23 мг/кг соответственно. Значительное уменьшение содержания 2п (от 18,5 мг/кг в контрольных пробах до 0,7 мг/кг в растениях с удобряемых участков) отмечено в створках бобов. Столь резкое снижение концентрации элементов, вероятно, связано с явлением антагонизма, т.е. со способностью одного иона подавлять поглощение другого. Достаточно широко это явление исследовано для 2п и Cd - элементов, близких по своим химическим свойствам. Кадмий может замещать цинк во многих биохимических процессах, нарушая работу ферментов, в том числе заменять его в процессах образования и потребления углеводов [5]. Использование удобрений при выращивании сои привело к увеличению концентрации Cd в створках бобов на 80 %. В этой части растения увеличение содержания Cd оказалось максимальным, в то время как в корнях оно составило в среднем 35 %, в стеблях и бобах -60 %. Несмотря на существенное увеличение содержания Cd в створках бобов, скачкообразного снижения концентрации 2п в других частях растения не происходит. Данный факт можно объяснить спецификой ткани створок бобов и существованием некой пороговой концентрации одного элемента, при которой происходит усиление конкуренции и резкое снижение поступления другого.

Поведение Мп в растениях сои также связано со способностью одних элементов ин-гибировать поглощение других. У Мп круг элементов-антагонистов гораздо шире, в него входят Mg, Р, К, Rb, 2п, АБ, Se, Сг, Fe, Со, N1 [5]. Антагонистические взаимодействия с Мп проявляются в метаболизме с большим количеством как микро-, так и макроэлементов, что не позволяет обозначить весь ряд элементов, повлиявших на изменение концентрации

Мп в исследуемых образцах. Установлено, что в растениях с удобряемых делянок максимальное (на 27 %) увеличение содержания № происходит в листьях, Со (на 47 %) -в створках бобов. Такое нарастание концентрации двух элементов вряд ли могло спровоцировать явное ограничение поступления Мп, оно могло лишь дополнить сложившуюся ситуацию. Роль основных ионов-антагонистов, вероятно, сыграли макроэлементы, попавшие в растения из удобрений. Указанные выше составы удобрений свидетельствуют о поступлении дополнительных количеств Р и К, которые, как известно, оказывают большое влияние на поглощение Мп.

Содержание Мо в бобах увеличивается на 20 %, в остальных частях уменьшается по сравнению с образцами контрольных проб. Концентрация №, Со, Сг в корнях уменьшается, в надземной части распределение этих элементов по различным органам растений не отличается от закономерностей, установленных для растений в контрольных опытах. В биомассе сои, выращенной на делянках с применением удобрения, увеличиваются концентрации РЬ, Cd и Си. С одной стороны, это может быть вызвано ростом содержания подвижных форм элементов в почве, с другой - влиянием удобрений на создание благоприятных условий, способствующих активному поглощению микроэлементов растениями. На преимущественное поступление данных элементов с удобрениями убедительно указывает повышение их содержания в корнях на 16-35 %. Отличительной особенностью сои Приморского края является небольшое увеличение содержания рассматриваемых элементов в генеративных органах. В сое Амурской области содержание РЬ и Cd в бобах увеличивается в 2 раза и более.

Вариабельность микроэлементного состава сои и различия почвенно-экологических условий произрастания показывают, что растения, выращенные в Приморском крае, более устойчивы к дополнительному поступлению микроэлементов. Мощным биологическим барьером для микроэлементов являются корни. И.Г. Важениным [1] в качестве показателя уровня загрязненности почвы элементами и степени проявления защитных свойств растениями предложено использовать коэффициент аккумуляции (Ка) -соотношение между содержанием микроэлементов в корнях и зерне. Причем Ка может служить биоиндикатором ранней фазы загрязненности системы почва-растение.

Как видно из рисунка, в растениях сои максимальное значение Ка отмечается для Сг, минимальное - для Си и Мо. При внесении удобрений в почву у растений сои из Амурской области Ка для всех микроэлементов уменьшается. В сое из Приморского края одновременно со снижением Ка для большей части элементов происходит небольшой рост этого показателя для РЬ, Сг, Си, Cd. Таким образом, при внесении удобрений в почву растения, выращенные в Амурской области, полностью, а произрастающие в Приморском крае, - частично снижают мобилизацию своих защитных возможностей.

Изменение коэффициента аккумуляции

Заключение

Установлено, что растения сои, выращенные на контрольных опытных участках (без внесения удобрений), испытывают дефицит Mn. Использование органо-минеральных удобрений позволяет устранить дефицит этого элемента и ведет к увеличению содержания Cu, Cr и Ni в растениях, выращенных на лугово-бурых почвах (Приморский край), и Mo, Co и Ni в растениях, выращенных на лугово-черноземовидных почвах (Амурская область). Вместе с тем длительное использование удобрений сопровождается снижением защитных возможностей растений и увеличением содержания токсичных микроэлементов (Pb, Cd и Cu) в продукции.

Полученные результаты позволяют более достоверно судить о балансе микроэлементов в системе почва-растение и особенностях поглощения элементов из почвы, а также определить факторы, влияющие на недостаток или избыток микроэлементов в растениях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Важенин И.Г. Корни растений как биоиндикатор уровня загрязненности почвы токсическими элементами // Агрохимия. 1984. № 2. С. 73-77.

2. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. М.: Мысль, 1983. 272 с.

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

4. Ильин В.Б. Элементарный химический состав растений. Новосибирск: Наука, 1985. 129 с.

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

6. Клышевская С.В., Тимофеева Я.О., Бурдуковский М.Л. Влияние использования удобрений на накопление марганца сельскохозяйственными культурами // Вестн. ДВО РАН. 2014. № 5. С. 72-77.

7. Ковда В.А. Почвенный покров. Его улучшение, использование и охрана. Новосибирск: Наука, 1981. 186 с.

8. Покатилов Ю.Г. Биогеохимия биосферы и медико-биологические проблемы (экологические проблемы химии биосферы и здоровья населения). Новосибирск: Наука, 1993. 168 с.

9. Практикум по агрохимии / отв. ред. В.Г. Минеев. М.: Изд-во МГУ, 1989. 303 с.

10. Пуртова Л.Н., Тимофеева Я.О., Полохин О.В., Емельянов А.Н. Экологическое состояние агрогенных почв при использовании фитомелиорации // Вестн. ДВО РАН. 2015. № 5. С. 22-28.

11. Тимофеева Я.О., Голов В.И. Железомарганцевые конкреции как накопители тяжелых металлов в некоторых почвах Приморья // Почвоведение. 2007. № 12. С. 1-9.

12. Timofeeva Ya.O., Karabtsov A.A., Semal' V.A., Burdukovskii M.L., Bondarchuk N.V. Iron-Manganese Nodules in Udepts: The Dependence of the Accumulation of Trace Elements on Nodule Size // Soil Sci. Soc. Am. J. 2014. Vol. 78, N 3. P. 767-778.