Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Содержание и распределение химических элементов в системе почва-растение и активация механизмов адаптации Triticum aestivum L.

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Содержание и распределение химических элементов в системе почва-растение и активация механизмов адаптации Triticum aestivum L."

На правах рукописи

ДУДАРЕВА Ирина Алексеевна

содержание и распределение химических элементов в системе почва-растение и активация механизмов

адаптации тягт/симлЕят/уим ь.

03.02.08 — экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

5 ЛЕК 2013

Тюмень - 2013

005542650

005542650

Работа выполнена в лаборатории «Экотоксикология» Тобольской комплексной научной станции Уральского отделения РАН и кафедре ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры Тюменского государственного университета

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Боме Нина Анатольевна

Официальные оппоненты: Еремченко Ольга Зиновьевна,

доктор биологических наук, профессор, Пермский государственный национальный исследовательский университет, зав. кафедрой физиологии растений и микроорганизмов

Синдирева Анна Владимировна,

доктор биологических наук, доцент, Омский государственный аграрный университет имени П. А Столыпина, профессор кафедры экологии, природопользования и биологии

Ведущая организация: Институт проблем освоения Севера СО РАН

Защита состоится «24» декабря 2013 в 15-30 часов на заседании диссертационного совета Д 220.064.02 при Государственном аграрном университете Северного Зауралья по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Республики, д. 7. Тел./факс: (3452) 46-87-77; E-mail: dissTGSHA@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного аграрного университета Северного Зауралья.

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат с.-х. наук

Литвиненко Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Почвенный покров - незаменимый компонент биосферы в процессах обмена веществом и энергией, в котором главная роль принадлежит сложной и динамической системе почва-растение (Белых и др., 2007). Распределение веществ в этой системе зависит от многих факторов. Определяющими являются — концентрация вещества в почве, физико-химические свойства, степень подвижности элементов, формы соединений и взаимодействий, обуславливающие уровень миграции и доступности для растений, а также климатические условия среды (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Эти факторы могут не удовлетворять потребностям растений, создавая условия стресса, угнетая их произрастание (Елькина, 2009). В свою очередь растительный организм обладает избирательной спецификой поглощения веществ, присутствующих в окружающей среде, ответных реакций на нехватку или переизбыток элементов питания и обмена, механизмами и уровнем устойчивости (Зырин, Каплунова, Сер-дюкова, 1985; Алексеев, 1987). Поэтому, перспективным в данном аспекте может быть применение физиологически активных соединений, оказывающих влияние на активизацию механизмов адаптации к химическому составу почвы в определенных климатических условиях (Шакирова, 2001; Прусакова и др., 2005). Кроме того, сведения о содержании и распределении химических элементов в системе почва-растение представляют интерес для обоснования развиваемому в науке направлению структурно-функциональной миграции химических элементов по трофическим цепям (Ильин, 2006). Актуальным является изучение физико-химических свойств и элементного состава почвы, а также особенностей нахождения и распределения элементов в системе почва-растение, находящих отражение в адаптациях растительного организма к условиям среды под влиянием физиологически активных соединений (ФАС).

Цель исследований - изучение содержания и распределения химических элементов в системе почва-растение и активации механизмов адаптации растений под влиянием физиологически активных соединений.

Задачи исследований:

1. Изучить типологию, морфологические особенности, физико-химические свойства почвы и распределение химических элементов в системе почва-растение.

2. Изучить взаимосвязь между содержанием химических элементов в почве и в растениях Triticum aestivum L.

3. Определить степень биологического поглощения ряда химических элементов из почвы вегетативными органами и зерном растений Triticum aestivum L.

4. Рассмотреть влияние почвенно-климатических процессов и воздействия ФАС на функциональные характеристики и элементы продуктивности яровой пшеницы, определить долю вклада факторов в их общую изменчивость.

5. Выявить силу и направление связей коррелирующих признаков зерновой продуктивности Triticum aestivum L. с целыо прогнозирования возможности их усиления.

6. Оценить эффективность способов обработки и концентраций растворов ФАС на сортах Triticum aestivum L. с учетом региональных особенностей почвенно-климатических условий.

Научная новизна. Впервые получены новые данные о физико-химических свойствах, элементном валовом и фракционном составе, соотношении и формах химических элементов дерново-мелкоподзолистой остаточно-карбонатной почвы Тобольского района Тюменской области. Определены подвижные формы элементов (Аэ, Са, Сс1, Со, Сг, Си, Ре, Мп, Мо, №. РЬ, БЬ, Бг, 7.п), их значение для ТгШсит аезНуит Ь. Выявлены активное поглощение ряда химических элементов (Са, 8г, Си, Бе, Мп, РЬ) растениями яровой пшеницы и сортовые различия по коэффициентам биологического поглощения. Установлено, что качественный и количественный элементный состав растений изменяется под влиянием физиологически активных соединений. Изучено влияние климатических, эдафических, химических факторов на растительный организм. Изменчивость морфо-физиологических признаков пшеницы на фенотипическом уровне зависит от концентрации и способов применения соединений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Валовое содержание, формы химических элементов в окультуренной остаточно-карбонатной дерново-мелкоподзолистой почве и доступность для растений ТгШсит аезй\ит Ь. обусловлены климатическими условиями, морфологией и физико-химическими свойствами почвы.

2. Количественное распределение элементов в вегетативных органах и зерне зависят от степени биологического поглощения.

3. Активация метаболизма растительного организма посредством воздействия физиологически активными соединениями, способствует повышению биоресурсного потенциала ТгШсит ае.чИ\>ит Ь.

Практическая значимость. Результаты исследования состава и свойств дерново-подзолистой почвы могут быть использованы при оценке ее экологического состояния и изменений, данные о распределении химических элементов в системе почва-растение — в мониторинге окружающей среды.

Результаты изучения закономерностей поглощения и распределения химических элементов в растениях, их ответных реакций и механизмов устойчивости неспецифического характера можно использовать для оценки и прогнозирования состояния растительности в условиях антропогенного воздействия. Изучение изменений растений ТгШсит аезйуит Ь. в культурном фитоценозе под влиянием ФАС может быть положено в основу биоиндикации состояния окружающей среды. Применяемые, инструментальные методы исследования химического состава природных объектов можно использовать при анализе отдельных компонентов ландшафта.

Методы химического анализа почв и растений, определения поглощения элементов из почвенного раствора могут быть использованы в учебном процессе вузов по направлениям «Экология» и «Биология».

Апробация работы. Основные положения диссертации апробированы на научно-практических конференциях: Международных (Тюмень, 2010; Ишим, 2012; Ульяновск, 2012; Москва, 2012; Украина, 2013), Всероссийских (Нижний Новгород, 2008; Тобольск, 2008; Тобольск, 2009; Тобольск, 2010; Тобольск, 2011), Всероссийской с международным участием (Тобольск, 2012), Региональной (Тобольск, 2008), а также на заседаниях кафедры экологии, естествознания и методики преподавания естествознания ФГБОУ ВПО «Тобольская государственная социаль-

но-педагогическая академия им. Д.И. Менделеева» (2009-2011 гг.) и кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет» (2013), Ученого совета ТКНС УрО РАН (2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 - в зарубежном академическом журнале; 1 — в электронном научном журнале, зарегистрированном в научной базе Web Of Science, 2 коллективные монографии, одна из которых в зарубежном издании Канады и США.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 200 наименований, из которых 35 — иностранных авторов. Объем работы составляет 210 страниц машинописного текста, включает 35 таблиц и 40 рисунков. Приложение состоит из 30 таблиц, 5 рисунков.

Личный вклад соискателя. Лабораторные и полевые опыты, отбор, про-боподготовка, физико-химический и элементный анализ проб растений и почвы, анализ и интерпретация экспериментальных данных, математическая и статистическая обработка результатов выполнены лично Дударевой И.А.

Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность научному руководителю д.с.-х.н., профессору H.A. Боме за научную и методическую помощь в работе над диссертацией; заведующему лабораторией «Экотоксикология» ТКНС УрО РАН, к.т.н., Г.С. Алимовой за методические консультации в проведении химико-аналитических исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость работы, ставятся цели и задачи, формулируются положения, выносимые на защиту.

1 Обзор литературы

Приводится обзор литературы о влиянии природных факторов на растительный организм, описана специфика воздействия климатических, агрогенных, эдафических экологических факторов, адаптивных способностях растений при различных способах воздействия ФАС и эффективности их применения на различных видах. Рассмотрен механизм действия ФАС различного происхождения и различной химико-физиологической групповой принадлежности. Особое внимание уделяется синтетическим и природным рострегулирующим химическим соединениям. Раскрываются понятия регулятор, стимулятор, активатор, фито-гормон, адаптоген.

2 Материал, методика и условия проведения исследований

В 2009-2012 гг. изучалось влияние физиологически активных соединений (ФАС) эпина, циркона и пара-аминобензойной кислоты (ПАБК) различных концентраций на растения 4 сортов (Аннет, Ирень, Икар, Рикс) Trilicum aestivum L.: 4,98x10 s г/см3 (циркон I), 1,00x10"4 г/см3 (циркон II), \ ,5()у \(Г4 г/см3 (циркон III); 1,25x10"5 г/см3 (эпин I); 5,00x10 s г/см3 (эпин II); 0,001% (ПАБК I); 0,0001% (ПАБК II); 0,00001% (ПАБК III); контроль — бидистиллированная вода.

з

Варианты нолевого опыта: вегетативная обработка (вариант 1) — опрыскивание растений (всходы, кущение, выход в трубку, колошение, цветение); предпосевная обработка семян в растворах, экспозиция - 8 часов (вариант 2); комплексная обработка (вариант 3) - выдерживание семян в растворах (8 часов) + опрыскивание растений (всходы, кущение, выход в трубку, колошение, цветение); контроль - делянки без применения препаратов. Норма расхода растворов для семян — 50 см3, при обработке растений в фазах: всходы, кущение, выход в трубку - 50 см3 на 1 м2, в фазах: колошение, цветение - 90 см3 на 1 м2.

Полевые исследования проводились на экспериментальном участке села Малая Зоркальцева, Тобольского района, Тюменской области, расположенном в соответствии с агроклиматическим районированием в подтаежной зоне — 58°25'00" северной широты, 68°24'00" восточной долготы. Закладка полевого опыта осуществлялась по методике Б.А. Доспехова (1985). Учетная площадь делянок составила 1 м2, повторность опыта 4-х кратная, количество высеянных семян на делянку 650, междурядья 15 см, глубина посева 5-6 см. Сроки посева: в 2009 и 2011 гг. - 30 мая, в 2010 г. - 6 июня. Предшественник — картофель. Учеты и наблюдения за ростом и развитием растений проведены по Методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур (1971). Идентификацию фитопатогенных грибов на листьях растений в фазу молочной спелости зерна производили на микроскопе Axiostar Plus (Karl Zeiss) с возможностью фотосъемки объектов.

Определение типа почвы и морфологическое описание генетических горизонтов почвенного разреза выполнено сотрудниками Института экологического почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Пробы для определения влажности (ГОСТ 28268-89) и физических свойств почвы (по Н.А. Качинскому, 1981) отбирались буром почвенным в мае-сентябре 2009-2011 гг. в алюминиевые бюксы объемом 70 см3 с крышками.

Для взвешивания использовали лабораторные электронные весы — BJ1T-150Г1 (Россия) и KERN EW 600-2М (Германия). Почвенные образцы высушивали в сушильном шкафу ШСП-0,25-200. рН водной вытяжки почвы определяли на 18-и канальном приборе Анион-7050 (ГОСТ 26423-85).

Определение физических свойств почвы и содержания химических элементов в почве и растениях выполнено в аккредитованной лаборатории «Эко-токсикология» (РОСС RU. 0001.516420) Тобольской комплексной научной станции Уральского отделения РАН. Для химического анализа почвы пробы отбирались буром почвенным по ГОСТ 2816-89 и РД 52.18.156-99 два раза за вегетацию (15.06 и 15.07) в 30 точках на глубине пахотного слоя — 30 см.

Определяли количество: анионов, мг-экв - СГ (ГОСТ 26425-85, n.l), S042" (ГОСТ 26426-85), НСОэ" (ГОСТ 26424-85); катионов, мг-экв - Mg2+ (ГОСТ 26487-85), Са2+ (ГОСТ 26487-85), K++Na+; биогенных веществ, мг/кг - NH4+ (ГОСТ 26489-85), N02' (ГОСТ 26107-84), N03 (ГОСТ 26488-85), Н2Р04" и НР04" (ГОСТ 26207-84), сухой остаток (ГОСТ 26423-85), гумус, % (метод И.В. Тюрина в модификации В.Н. Симакова).

Пробоподготовка для определения элементного состава растений и неподвижных форм химических элементов почвы (As, Са, Cd, Со, Сг, Си, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Sr, Zn) осуществлялась с кислотными вытяжками (HN03 и НС1),

в системе микроволнового разложения иод давлением Speedwave MWS-2 (Германия, BERGHOF Products+Instruments Gmb Н). Встряхивание проб для фракционирования производили на шейкере - Т-2 KAVALTER. Последовательное фракционирование осуществляли по методу Спозито.

Содержание химических элементов в почве и растениях определяли атомно-эмиссионным методом индуктивно-связанной плазмы (ИСП) на спектрометре OPTIMA-7000 DV (Perkin Elmer). При выделении градаций содержания отдельных химических элементов в почвах использовались существующие ПДК (Каба-та-Пендиас, Пендиас, 1989; ГН 2.1.7.2041-06) и шкала нормирования концентраций элементов в почвах (Покатилов, 1993). В качестве фонового ориентира взят условный мировой кларк почв (Малюга, 1963). Расчет и оценка концентрации химического вещества в почве (Кс) проведены по Ю.А. Озерскому (2008), коэффициент биологического поглощения (Ах) - по А.И. Перельману (1999).

Содержание фотосинтетических пигментов в клетках флаговых листьев растений яровой пшеницы в фазе колошения определяли на спектрофотометре UNICO-1200 с использованием электронной программы Hlorof.

В опыте по изучению действия ФАС на проростках яровой пшеницы осуществлялся контроль условий внутри лабораторного помещения по показателям: температура, влажность воздуха (гигрометр психрометрический ТУ 25-11.164584), давление (барометр-анероид метеорологический БАММ-1), освещенность (Люксометр Ю-116).

Математическая обработка экспериментальных данных (ошибка среднего значения, достоверность опыта, изменчивость признаков, дисперсионный и корреляционный анализ) проведена по методике Б.А. Доспехова (1985) с использованием программ STATAN.BAT и STATISTICA 6.0.

Метеорологические условия по данным Объединенной гидрометеорологической станции (ОГМС) ГУ Тобольского района отличаются большой изменчивостью, как по годам, так и в течение вегетационного периода. Среднесуточная температура воздуха колебалась от 10,8 до 17,2°С в 2009 г., от 10,4 до 17,5°С - в 2010 г, и от 10,9 до 18,0°С - в 2011 г. В 2011 г. зафиксирована максимальная 18,0 С (июнь) и минимальная 10,9°С (май) среднесуточная температура воздуха. Май 2009, 2010 и 2011 гг. был особенно жарким и отличался от нормы на 1,1 С. Среднесуточная температура августа и сентября 2009 и 2011 гг. превышала среднемноголетние значения на 0,7 и 2,5°С соответственно. Сумма активных температур составила: в 2009 г. - 1977,4°С, 2010 г. - 1855,4°С, 2011 г. -1925,3°С (среднее превышение над нормой 219°С).

Количество выпавших осадков за вегетационный период 2009 г. (311,3 мм) и 2011 г. (358,2 мм) было близко к норме. Вегетационный период 2010 года можно характеризовать как засушливый, так как сумма осадков составила 221,9 мм, что ниже нормы на 73,1 мм. Распределение осадков в течение вегетации было неравномерным, и в онтогенезе растений отмечались засушливые периоды: 2010 г.-июль(19,9 мм), 2011 г.-май (8,5 мм).

3 Распределение химических элементов в системе почва-растение

Почва участка - хорошо окультуренная остаточно-карбонатная дерново-мелкоподзолистая на древнеаллювиальных отложениях.

аврь

■ 2089 Е2С1С 82011

Рисунок 1 - Влажность почвы эксперименталь ного участка за годы исследования, %

Выявлены значительные различия по влажности почвы в разные по метеорологическим условиям периоды „ роста и развития растений (рис. 1). Так

в июне влажность составила: в 2009 г. - 11,7%, 2010 г. - 13,6%, 2011 г. -39,4%. Следовательно, содержание влаги в почве для формирования всходов и кущения растений было благоприятным в 2011 г. и критическим - в 2009 и 2010 гг. Важными в потреблении воды считаются фазы выхода в трубку и колошения, когда образуются репродуктивные органы (июль). Максимально сложные условия для растений пшеницы наблюдались в июле 2010 г., характеризовавшегося дефицитом осадков на фоне повышенных температур воздуха. Влажность почвы в этот период не превышала 6,8%. Низкая влажность почвы (9,0%) отмечалась в августе 2011 г., в фазе молочной спелости зерна.

Для плотности почвы характерны изменения в течение периода вегетации растений (рис. 2). Низкие показатели отмечены в мае (0,188±0,0001 см3) и сентябре (0,248±0,0001 г/см3), что мы объясняем предпосевной обработкой почвы весной и уборкой растений с корнем осенью.

Относительно высокая плотность почвы характерна для июня и августа, что может быть связано с чередованием обильных дождей и засушливых периодов. Необходимо отметить, что наиболее рыхлой почва была сразу после обработки, затем она постепенно уплотнялась, и через некоторое время ее плотность достигла равновесного состояния. Известно, что плотность выше 1,4 г/см3, способствует снижению роста растений, в и ; нашем опыте превышения по данному

значению обнаружено не было. Почва экспериментального участка имеет рассыпчатое и рыхлое сложение, хорошо оструктурена, но структурные агрегаты плохо сцементированы между собой. В почве содержится достаточное количество минеральных включений и органических кислот.

Пористость и скважность аэрации почвы находятся в тесной взаимосвязи с показателями плотности. Максимальное значение скважности аэрации приходится на май - 88,38% и сентябрь - 74,21%. Очень низкое значение показателя отмечено в июле (36,26%).

Почва относится к слабощелочному типу, что определяется остаточной карбонатностыо, а также содержанием кальция, магния в составе катионов, гидрокарбонатов в составе анионов и биогенных веществ (табл. 1).

0-6 04

-шлотность исчбы

Ьстеосго твердой фазы почвы

Рисунок 2 — Плотность н плотность твердой фазы почвы в течение вегетационного периода, среднее 200?-2011 гг., г/см3

Таблица 1 - Физико-химические свойства почвы

Год Анионы, мгэкв Катионы, мгэкв

СГ БО/" НСОз" К +Ыа мё2+ Са2+

2009 0,39±0,06 0,70±0,11 0,30±0,01 6,45±0,34 1,98±0,21 5,49±0,41

2010 0,34±0,05 3,31±0,22 0,29±0,01 3,97±0,25 1,81±0Л9 5,56±0,42

2011 0,44±0,07 3,30±0,21 0,23±0,01 3,87±0,21 2,02±0,16 5,62±0,42

Х±5Ч 0,39±0,01 2,4±0,87 0,27±0,01 4,76±0,84 1,94±0,01 5,56±0,04

СУ,% 12.8 61,7 13,9 30,7 5,8 1,2

Год Биогенные вещества, мг/кг рН, ед. Сухой ос-

ын<Г Ы02" Шз" Н2Р04"и НР04" таток, %

2009 8,70±1,31 10,30±0,41 10,41±0,80 79,01 ±6,00 7,53±0,10 0,35

2010 15,5±1,60 11,01±0,50 4,21±0,81 317,00± 16,30 7,58±0,10 0,35

2011 3,70±0,61 5,30±0,41 11,70±0,92 410,00±20,70 7,84±0,10 0,35

Х±5х 9,30±3,42 8,87±1,79 8,77±2,31 268,7±98,65 7,65±0,01 0,35±0,00

СУ,% 63,7 35,1 45,6 63,5 2,2 0,0

Сухой остаток — показатель засоленности почв, равен 0,35% (норма 0,30%). Анионно-катионный состав соответствует благоприятному для растений уровню и определяет хорошую поглотительную способность почвы. Азот выделен в трех формах: аммонийной, нитратной, нитритной - содержание его в почве среднее. Фосфор, обнаруженный в большом количестве, доступен для растений в подвижных формах Н2Р04" и НР04~. Содержание гумуса в почве невысокое, во времени менялось незначительно: 2009 г. - 1,86%, 2010 г. - 1,45%, 2011 г. -120 1,76%.

™ ' Выявлены подвижные формы 60 £ _ элементов способные к миграции и ; активному участию в . „,. В 1? |1 8 И и . И К в биохимических процессах в системе аз с» сс1 со сг си ре м8мимо n1 рь бг zn почва-растение (рис. 3). В ____________ исследуемой почве элементы Аб, Сг,

Рисунок 3 - Соотношение форм химических ре .у|(| ^ р^ уп находятся В

элементов в почве (%), среднее 2009-2011 гг. ' ' '

большей степени в подвижных формах, активно вступают в биохимическую миграцию, доступны для растений. Неподвижные формы Са, Си, Мп, 5г по отношению к подвижным - доминантны в почвенном слое и могут использоваться растениями в малом количестве. Вероятно, это связано со способностью данных элементов образовывать хе-латные соединения с органическим веществом почвы и становиться временно не доступными для растений (Безуглова, Вальков, Казеев, 1999; Мыслова, 2011). Элементы - Сё и Со находятся в подвижных формах; элементов, представленных только неподвижными формами, выявлено не было. Фракционирование позволило классифицировать элементы по их подвижности, оценить прочность связи с почвенными частицами и взаимодействие с теми или иными компонентами почвы. Для элементов Аб, Са, Сс1, Со, Мо, РЬ доминантными являются фракции: обменная (26,7% N1 - 29,1% Со, от общего количества подвижных форм), органическая (26,6% Аз - 34,3% Са) и водорастворимая (18,2% Са -21,8% Со). Эти фракционные соединения играют основную роль в питании растений. Большая часть М§ и Бг в почве представлена органической (28,8% и 27,1%) и обменной фракциями (22,1% и 26,9%). (17,1%), находящийся в ос-

7

таточной фракции, является стратегическим резервом, связанным с карбонатами и гидрокарбонатами Ре, Мп. Доля Мп в органической фракции составляет 60,6%, и лишь 16,7% — в обменной. В почве содержится органического железа - 39,1%, оксидного — 28,6%, остаточного - 26,2%, представленного большей частью устойчивыми комплексами с органическим веществом. Значительно меньше его присутствие в виде катионов и гидратов полуторных окислов в коллоидно-растворимой форме. Си находится в почве только в одной фракции - карбонатной (100%). Zn представлен оксидной фракцией (91,3% от общего содержания подвижных форм) и лишь 8,7% элемента - в остаточной фракции. Хп образует прочные поверхностные комплексы и высвобождается при разрушении гидро-ксидов Ре и Мп. Все элементы кроме /п и Си, в разных количествах обнаружены во всех исследуемых фракциях, находятся в почве в неподвижных и подвижных формах, представляя ее валовый состав.

Для обнаружения природных почвенно-геохимических изменений и правильной оценки элементного состава почвы используют ориентиры — кларки и предельно допустимые концентрации (ПДК). По сравнению с условным мировым кларком химические элементы в фоновой выборке почвы образуют две группы (табл. 2).

Таблица 2 - Валовое содержание химических элементов в почве, среднее 2009-2011 гг.

Элемент Валовое содержание в почве Условный мировой кларк, мг/кг Ке ПДК, мг/кг

X±Sx, мг/кг CV,%

As 16,95±0,18 1.50 30 0,11 <0,7 50

Ca 456,0±18,66 5,86 1200 0,38<0,7 1800-2000

Cd 6,83±0,00 0,00 2,0 3,42>1,5 3,0-8,0

Со 16,85±0,00 0,00 10 1,61>1,5 25-50

Cr 16,43±0,00 0,57 200 0,08<0,7 75-100

Си 0,99±0,19 34,20 20 0,04<0,7 60-125

Fe 301,73±21,62 10,07 - - -

Mg 288,93±29,66 14,19 800 0,37<0,7 1600

Мп 96,65±1,97 2,92 850 0,11<0,7 1500-3000

Mo 16,23±0,00 0,17 2 8,12>1,5 50

Ni 17,04±0,64 5,24 40 0,44<0,7 100

Pb 25,71 ±1,64 8,84 10 2,62>1,5 100-200

Sr 1,89±0,12 8,67 300 0,006<0,7 500

Zn 21,72±1,28 8,06 50 0,38<0,7 70-400

Для элементов 1-й группы - Со, Мо, РЬ, Сс1 характерно повышенное содержание в почве относительно кларка, что свидетельствует о накоплении этих веществ, но не выше уровня ПДК. Повышенное содержание элементов может быть обусловлено геохимическими особенностями почвообразующих пород, способствующих активной миграции элементов по профилю. Более обширная, 2-я группа элементов - Мп, Сг, 8г, Ая, №, Си, 7л, Са, Ре, обнаруживает недостаточность по отношению к кларку, что позволяет говорить о выносе элементов.

В растениях изученных сортов яровой пшеницы, обнаружены 7 химических элементов (Са, Си, Ре, Г^, Мп, 8г, РЬ) из 14 определенных в почве. Возможно, это обусловлено низким валовым содержанием элементов по отношению к кларку и их нахождением в подвижных и неподвижных формах, а также избирательной потребностью растений (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Физиологически активные соединения оказали воздействие на изменение химического состава и содержание элементов в растениях.

У сорта Аннет содержание Са, Мп возросло в вегетативной части растения и зерне при предпосевной обработке семян цирконом и эпином, в этих же вариантах, в отличие от контроля, обнаружен РЬ. Количество Си под влиянием этих препаратов снижалось на 19,5%. Превышение над контролем по Ре зарегистрировано в вегетативных органах, в зерне элемент не обнаружен. Содержание 8г возросло после обработки семян эпином.

У сорта Икар обнаружено достоверное повышение содержания Си и Мп в растениях опытных вариантов по сравнению с контролем. При обработке семян получено большее содержание Са в зерне. В надземной части растения и в зерне Mg при сравнении с контролем было больше на 34,4 мг/кг в варианте с эпином. Количество Ре общего сократилось в пробах зерна с цирконом на 92,7%, эпином

- на 95,2%. Содержание железа большее, чем в контроле, наблюдалось при обработке эпином в вегетативных органах. Яг в минимальном количестве отмечен в зерне, в максимальном - в соломине и листьях.

Сорт Ирень оказался наиболее отзывчивым на обработку семян цирконом и эпином. Получено достоверное увеличение в вегетативной части растения и зерне Са, Си, Ре. Повышенное содержание в зерне Mg и Мп было в варианте с эпином (разница с контролем 3,8 и 0.57 мг/кг соответственно). Количество стронция возросло до 0,13 мг/кг (циркон) и 0,15 мг/кг (эпин) при контрольном значении - 0,12 мг/кг.

Реакция сорта Рикс на регуляторы роста характеризовалась повышением содержания Си в растениях по отношению к контролю во всех вариантах (зерно

- 2,60 мг/кг, вегетативные органы - 1,95 мг/кг) и вг-в вариантах с цирконом (0,10 и 3,14 мг/кг соответственно). В остальных случаях воздействие соединениями привело к снижению в растениях в сравнении с контролем всех элементов. При высоком содержании Са, Ре, М§, Мп, 8г в соломине и листьях (528,6; 8,90; 197,7; 3,46; 3,08 мг/кг), отмечено низкое содержание элементов в зерне (30,2; 0,79; 147,4; 2,63; 0,09 мг/кг).

Установлена зависимость между содержанием химических элементов в вегетативных органах растения и зерне под влиянием ФАС. Достоверная прямая связь установлена для элементов: Си (г=0,85), М£ (г=0,90), Мп (г=0,73), Бг (г=0,80). Слабая корреляция выявлена для элементов: Са (г=0,36) и Ре (г=0,07). Характер распределения и накопления химических элементов в растениях изменялся в зависимости от сорта и применяемых ФАС.

Для понимания взаимодействия растительного организма с почвой, а также миграции, накопления и распределения химических элементов рассчитан коэффициент биологического поглощения (Ах). Установлено, что сорта яровой пшеницы, выращенные в равных условиях, имеют общие тенденции накопления и захвата химических элементов из почвы. Растения поглощают из почвы не все

элементы в ней находящиеся. Связь элементов с компонентами почвы - один из наиболее важных факторов определяющих их биологическую доступность. Такие элементы, как As, Cd, Со, Cr, Mo, Ni, Zn труднодоступны растениям, и не обнаруживаются в вегетативных органах, хотя представлены они чаще в подвижных формах. Поглощение активнее происходит при низком содержании элемента в почве. Элементы Са, Cu, Mn, Sr, судя по коэффициентам накопления и захвата органами растения, поглощаются относительно легко, тогда как Fe, Mg и Pb лишь слабо доступны растениям. Влияние ФАС способствовало усилению биологического поглощения элементов растением из почвы.

4 Влияние физиологически активных соединений на биоресурсный потенциал мягкой яровой пшеницы

Для выявления наиболее эффективных физиологически активных веществ и их оптимальных концентраций для яровой пшеницы проведена серия лабораторных опытов на 14-дневных проростках. В контролируемых условиях были учтены морфометрические параметры: длина стебля, количество листьев, ширина, длина и площадь каждого листа, количество и длина корней, биомасса.

Выявлены значительные различия по эффективности действия концентраций изученных препаратов, а также по реакции сортов на обработку семян. Максимальное проявление морфологических признаков проростков на фенотипиче-ском уровне было получено в вариантах с цирконом в концентрациях 1,50x10"" г/см и 4,98x10"5 г/см3. Таким образом, при правильно подобранных препаратах в соответствующей концентрации возможна активация ростовых процессов с момента прорастания семян.

Количество всходов. В полевых условиях изученные сорта яровой пшеницы характеризовались специфической реакцией на обработку семян ФАС по показателю полевой всхожести. Максимальное проявление эффекта по количеству всходов в среднем за 2009-2011гг. наблюдали в варианте с цирконом в концентрациях 4,98х10"5 и 1,50x1o"4 г/см3. Достоверное увеличение показателя отмечено у трех сортов: Аннет, Ирень и Икар. В фазе полных всходов при концентрации 4,98x10"5 г/см3 насчитывалось 617, 563 и 547 растений на 1 м2, концентрации - 1,50x10"4 г/см3 - 543, 575 и 547 растений. В контроле высокой способностью семян к прорастанию и формированию всходов характеризовались сорта Рикс и Ирень (517 и 515 шт./м2), пониженной - сорт Икар (483 шт./м2). По полевой всхожести выделился сорт Аннет (94,9%) после обработки семян цирконом в низкой концентрации. Анализ усредненных данных по сортам выявил положительное влияние препаратов на ростовые процессы с первого этапа онтогенеза. Полевая всхожесть семян в опытных вариантах варьировала от 79,4% до 85,2%, что на 1,9-7,7% выше контроля.

Биологическая устойчивость растений. Количество растений, сохранившихся за период вегетации, достоверно превышало контроль только в двух вариантах. Для сорта Аннет эффективной была обработка семян цирконом в концентрации 4,98х10"5 г/см3 (количество растений - 508 шт./м2, биологическая устойчивость - 82,3%). Растения сорта Ирень проявили высокую жизнеспособность под воздействием эпина (1,25х 10"s г/см3). В фазе полной спелости зерна на 1 м2 насчитывалось 450 растений, в контроле - 351. В остальных вариантах показатели сохранности были на уровне контроля.

По усредненным данным выживаемость растений в контрольном и большинстве опытных вариантов отличалась незначительно и варьировала от 67,5% до 74,5%. Существенному повышению адаптивных свойств у всех сортов пшеницы способствовала обработка семян эпином в минимальной концентрации (1,25x10"5 г/см3).

Динамика суточного прироста длины стебля растений колеблется в пределах от 0,57 до 8,13 см. На основании многофакторного дисперсионного анализа установлено, что прирост определяется экологическими факторами вегетационного периода (т8=13,2%), сортовой реакцией (ш8=2,0%), процессами, происходящими в растительном организме в онтогенезе (ш8=36,2%) и влиянием ФАС (гп8=53,6%). Относительная скорость роста растений изучаемых сортов отличалась по фенологическим фазам. У сорта Аннет наблюдался больший суточный прирост стебля в фазу колошения, сорта Ирень - выход в трубку и цветение, сортов Рикс и Икар - выход в трубку.

Динамика роста находит отражение в показателях высоты растений в фазу молочной спелости зерна, обеспечивая адаптацию к условиям среды и устойчивость растений к полеганию. Предел изменчивости признака в среднем за годы исследований составил от 95,6±2,1 см (СУ=6,45%) - контроль, Аннет до 122,8±3,0 см (СУ=8,1%) - комплексная обработка цирконом, Икар. Применение эпина в комплексной и предпосевной обработке на сорте Ирень и ПАБК - в вегетативной обработке растений сорта Икар, приводило к снижению высоты растений. В остальных вариантах зафиксировано достоверное увеличение признака по сравнению с контролем на 1,1%, (ПАБК, сорт Ирень) - 16,3% (циркон, сорт Икар). В контроле отмечалось полегание растений в 2009 г. у всех сортов, в 2011 г. - у сортов Аннет и Рикс. Устойчивость к полеганию была высокой (5 баллов) во всех опытных вариантах за исключением варианта обработки семян эпином в 2009 г. (3 балла).

Морфо-фуикциональные изменения листьев. Изменчивость морфомет-рических параметров и площади листовой поверхности растений являются важными для понимания экологической пластичности культурного фитоценоза под действием ФАС. Результаты дисперсионного многофакторного анализа показали, что на общую динамику изменений длины и ширины флагового листа растений оказывают влияние в большей степени ФАС - 54,0%, доля влияния способа обработки составила 29,1% (рис. 4). Изученные сорта значительно различались по площади флагового листа. В среднем за годы исследований у сорта Аннет в варианте вегетативной обработки получено достоверное увеличение показателя при сравнении с контролем (28,5±2,60 см2): от 10,5% (циркон 1,00* К)"4 г/см3) до 41,6% (ПАБК 0,00001%); у сорта Ирень (контроль - 30,3±0,69 см2): от 1,0% (циркон 1,00x10"" г/см3, вегетативная обработка) до 26,0% (циркон 1,00х10~4 г/см3, предпосевная обработка). У сорта Икар (контроль - 37,9±0,51 см2) увеличение площади флаг-листа составило от 0,4% (циркон 1,50х10'4 г/см3, вегетативная обработка) до 13,2% (эпин 1,25* КГ5, комплексная обработка); у сорта Рикс (контроль - 39,0±0,86 см2): от 1,0% (эпин 5,00х10"5 г/см3, вегетативная обработка) до 36,2% (ПАБК 0,00001%, предпосевная обработка). Достоверное снижение признака под действием ФАС получено у сортов: Аннет - на 11,1% (эпин 5,00хЮ'5 г/см3, вегетативная обработка); Ирень - от 0,3 до 9,4% (ПАБК 0,001%,

комплексная обработка); Икар - от 0,3% (ПАБК 0,00001%, комплексная обработка) до 11,5% (эпин 5,00* 10"5 г/см3, вегетативная обработка); Рикс - от 1,2% (циркон 1,50x10"4 г/см3, вегетативная обработка) до 17,5% (циркон 4,98*10~5 г/см^ предпосевная обработка).

Применение ФАС, при сравнении с контролем, способствовало как увеличению

листовой поверхности 1 рас-

2

Виа>голейстїия{АВС)

■поерс (фактор В)

Вгаяіїен-їйс-ня (ВСУ

. Еляматичесжнеуслеи: {Фіїггор С)

тения до 26,5 см-, так .2

И

(рис.

Взаимодейстзая (АС)

" Блазсгодействих (АБ)

уменьшению на 9,5 см 5).

Наблюдались различия по сортовой реакции (ш5=24,8%), способу обработки (ш8=37,8%) и воздействию ФАС (ш8=64,7%).

Рисунок 4-Доля влияния факторов на длину и ширину флагового листа растений яровой пшеницы, среднее по показателям, %

В тесной связи с площадью листьев находятся индекс листовой поверхности (ИЛП) (г=0,99) и фотосинтетический потенциал (ФП) (1=1,0).

Максимальная чистая продукция фотосинтеза соответствует ИЛП близкому к 4 (площадь освещенных листьев в 4 раза больше площади, занятой растениями). В контрольных посевах у сортов отмечены различные ИЛП (среднее за 2009-2011 гг.): Аннет -3,0; Ирень - 4,4; Икар - 4,3; Рикс -5,5. При воздействии ФАС ИЛП увеличивался у сортов Аннет, Икар, Рикс, уменьшался у сорта Ирень.

Достоверное увеличение ФП отмечено под влиянием циркона (9,6-86,6%), эпина (24,2-75,0%), ПАБК (2,7-62,1%). В контрольных 1354,4 (Аннет), 1967,4 (Ирень), 2150,4

210

190

вз з: si аз в: зі

(IpCHa

ІІкар

Puse

-♦-контроль циркон -й^этша —;~ПА5К Рисунок 5 - Плошадь листьев 1 растения в вари антах обработки ФАС (среднее за 2009-2011 гг.), см2

вариантах ФПР составил (см2-сут) (Икар), 2936,7 (Рикс).

Содержание фотосинтетических пигментов в клетках флаговых листьев. Отмечены достоверные изменения, выражающиеся в увеличении содержания пигментов под действием ФАС во всех вариантах при сравнении с контролем (рис. 6). У сортов Аннет, Икар максимальному увеличению содержания пигментов способствовала обработка семян (61,5% и 48,4%).

Оптимальный способ для сорта Ирень - опрыскивание вегетирующих растений (52,3%), сорта Рикс - комплексная обработка (66,0%). Максимальный эффект у сортов Аннет, Ирень, Рикс получен при применении циркона, у сорта Икар—эпина.

Наибольшее влияние на количество пигментов в листьях оказывают ФАС - фактор С (mS=43,8%), менее выражено влияние способов обработки -фактор В (mS=18,3%) и взаимодействия факторов ВС (mS=14,8%). Генотипические особенности сорта значимы при mS=5.5% от общей доли вклада факторов. Проявление генотипа в изменении признака усиливается под влиянием ФАС (mS=10,2%).

Пораженность листьев фитопатогенными грибами. Идентифицированы возбудители бурой листовой ржавчины (Puccinia recóndita Rob. ex Desm. / sp. tritici) и темно-бурой пятнистости {Cochliobolus sativus (S. Ito & Kurib.). Степень поражения бурой ржавчиной в контрольных и опытных вариантах была слабой (R=5-20%; R=1-10% соответственно). Устойчивость сортов к темно-бурой пятнистости без применения ФАС изменялась от высокой (R=10%) до средней (R=45%); в вариантах с различными обработками, растения были менее восприимчивы к болезни (R=l-25%). В среднем за 2009-2011 гг. применение ФАС способствовало снижению пораженное™ растений патогенами по сортам: Ан-нет на 30%, Ирень - 43%, Икар - 10%, Рикс - 8,6%.

5 Корреляция между признаками зерновой продуктивности яровой пшеницы под влиянием факторов окружающей среды

Понимание механизмов адаптации растительного организма предусматривает анализ связей между различными (диагностическими) признаками. Использование корреляционных связей позволяет осуществить комплексную оценку всех вариантов опыта, а также определить силу и направление связей, степень примерной детерминированности каждого признака.

Изучено влияние почвенно-климатических условий и способов применения физиологически активных соединений на элементы, вносящие вклад в формирование продуктивности растений и с ней коррелирующих (рис. 7). Урожайность зерна с единицы площади является основной характеристикой продукционной способности растений и в большей степени зависит от факторов внешней среды. Из анализируемых признаков наиболее существенная связь с продуктивностью прослеживается по продуктивной кустистости растений (г=0,96), массе зерна с колоса (г=0,90), массе зерна с растения (r=0,81).

-1,5 •1

Аннет Шар Креяь

«KOHiprab -й циркон «#*яжя «

-ПА5К

Рисунок 6- Содержание фотосинтетических пигментов в клетках флаговых листьев яровой пшеницы под влиянием ФАС, мг/г

\

\

?

У

1-С01ДЗЯ1.Л:СТНСТ0С1д-Ш1

2-пролуинвная хл сшетссгь. сл.

3-ллшш колоса, см

4-шлкч4пк>згрен в колос?. пгт

5-масса зерна? колоса г

6-масса зернас рас1£Е!"я. г

7-масса100С зерен, г_

Рнсунок 7- Корреляционные связи между признаками зерновой продуктивности у мягкой яровой пшеницы на дерново-подзолистой почве (2009-2011 гг.)

По результатам дисперсионного анализа лимитирующими факторами в формировании элементов продуктивности являются концентрации ФАС (т8=45,2%) и варианты обработки (т8=20,7%), действие сорта и условий среды заметно снижается. Для обработки данных использован способ баллового ранжирования, позволяющий охарактеризовать реакцию генотипа на действие ФАС в определенных условиях среды.

Различие максимальных значений по показателям в вариантах опыта подтверждает тот факт, что соединения не могут давать 100%-ного повышения всех элементов продуктивности. В большей степени они влияют на конкретный признак, контролируемый условиями среды и генотипической реакцией сорта. Лучшие сортовые реакции по комплексу продуктивно-ценных признаков выявлены в вариантах комплексной обработки: выдерживание семян в растворах (8 часов) + опрыскивание растений (всходы, кущение, выход в трубку, колошение, цветение). Максимальный эффект получен в следующих вариантах: сорт Аннет, эпин 1,25х10"5 г/см3, сорт Рикс, ПАБК 0,00001%, Икар, циркон 4,98* 10"5 г/см3, Ирень, циркон 1,00* 10"* г/см3.

ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования показали, что почва экспериментального участка, расположенного в Тобольском районе Тюменской области, окультуренная остаточно-карбонатная дерново-мелкоподзолистая на древнеаллювиальных отложениях, относится к щелочному типу, по анионно-катионному составу, сухому остатку, плотности, пористости соответствует благоприятному для растений уровню.

2. Выявлены значительные различия по влажности почвы в течение исследуемых вегетационных периодов. В отдельные фенологические фазы растений содержание влаги в почве достигало критического уровня: всходы и кущение в 2009 и 2010 гг. (11,7 и 13,6% соответственно), выход в трубку и колошение в 2010 г. (6,8%), молочная спелость зерна в 2011 г. (9,0%).

3. Химические элементы относительно условного мирового кларка образуют в исследуемой почве две группы. Для элементов первой группы (Со, Мо, РЬ, С<1) характерно повышенное содержание, для элементов второй группы (Мп, Сг, 8г, Ав, №, Си, 7,п, Mg, Са, Ре) - недостаточность, что позволяет говорить о накоплении элементов в первом случае и выносе - во втором.

4. В почве преобладающими фракциями являются органическая, водорастворимая и обменная. Подвижные химические элементы можно расположить в следующий убывающий ряд:

Fe>Ca>Mg>Mn>Zn>Pb>Co>As>Mo>N¡>Cr>Cd>Sr>Cu. Химические элементы по биологической доступности растениям образуют три группы: труднодоступные (Ав, Сё, Со, Сг, Мо, гп), слабодоступные (Ре, Мп и РЬ) и легкодоступные (Са, Си, Мп, вг).

5. Количество химических элементов, извлеченных из почвы растениями ТгШсит ае5й\тт Ь., составило 7 (Са, Си, Ре, М^ Мп, вг, РЬ) из 14 элементов, обнаруженных в почве. Корреляция между содержанием химических элементов в почве и растениях достоверная сильная (г=0,53-0,95). Связь между содержанием элементов в вегетативных органах и зерне изменялась от сильной (марганец, стронций, медь, магний, г=0,73-0,90) до слабой (железо, кальций, г=0,07-0,36).

6. Химические элементы из почвенного раствора поглощаются с разной избирательной способностью. По коэффициенту биологического поглощения в системе почва-растение Са и Бг относятся к элементам сильного накопления в вегетативных органах и среднего захвата в зерне, Си -энергичного накопления; Mg - сильного захвата; Ре, Мп и РЬ - слабого захвата.

7. Предпосевная обработка семян мягкой яровой пшеницы физиологически активными соединениями оказывает стимулирующее влияние на полевую всхожесть семян. Максимальный эффект получен в вариантах с цирконом (4,98x10"5 г/см3 и 1,50*10"4 г/см3). Характер отклика на воздействие цирконом, эпином, ПАБК в различных концентрациях, имеет сортовую специфичность.

8. Физиологически активные соединения повышают интенсивность ростовых процессов вегетативных органов яровой пшеницы. На основании дисперсионного анализа установлено, что прирост побега в длину в большей степени определяется фактором «ФАС» (гп8=53,6%).

9. Реакция сортов яровой пшеницы на способы обработки и концентрации изученных препаратов по площади листовой поверхности и концентрации хлорофилла в листьях была различной. На изменение индекса листовой поверхности большее влияние оказывало применение эпина, а на содержание хлорофилла в листьях - циркона. Показатели фотосинтетической деятельности (ИЛП и ФП) отражают ход накопления биомассы как коррелирующие с продуктивностью (г=0,40 и г=0,38 соответственно).

10.Анализ объединенных выборок выявил существенную корреляцию зерновой продуктивности с кустистостью растений (г=0,96), массой зерна с колоса (г=0,90), массой зерна с растения(г=0,81). Высокая биологическая эффективность циркона, эпина, ПАБК достигается в комплексной обработке, включающей предпосевное выдерживание семян в растворах соединений и опрыскивание растений в период вегетации.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Боме Н.А. Повышение жизнеспособности семян и устойчивости растений ТШЛСЦМ АЕШУиМ Ь. к меняющимся факторам среды / Н.А. Черкашина, Н А. Боме // Естественные и технические науки. - 2012. - №2. - С. 108-112.

2. Черкашина И.А. Повышение устойчивости сортов TRITICUM AESTIVUM L. к стрессовым факторам среды с помощью физиологически активных веществ / И.А. Черкашина, H.A. Боме // Плодоводство и ягодоводство России. - 2012. - Т. XXXIV. - Ч 2. - С 362368.

3. Дударева (Черкашина) И.А. Содержание химических элементов в системе почва-растение под влиянием биологически активных веществ / И.А. Дударева, H.A. Бомс // Научные ведомости Белогородского государственного университета: Серия Естественные науки -2013. -№ 10 (153). Выпуск 23. - С. 116-124.

4. Дударева (Черкашина) H.A. Основные показатели свойств хорошо окультуренной дерново-мелкоподзолистой почвы северных территорий (на примере Тобольского района Тюменской области) / И.А. Дударева, H.A. Боме // Сборник научных трудов SWorld - 2013 - Т 36. Выпуск2.-С. 3-11.

Работы, опубликованные в зарубежных академических изданиях:

5. Dudareva I.A. The basicindices of continuously cultivated sod-podzol soil characteristics of northern territories (in the case of Tobolsk district, Tyumen region) / I.A. Dudareva, N.A. Borne // Современные научные исследования и их практическое применение. - Web Of Science 2013 -С. 3-11.

6. Borne N.A. Improvement of theoretical bases and methods of studying of genetic resources of cultural plants in various ecological conditions / N.A. Bome, S.A. Bekuzarova, L.I. Weisfeld, I.A. Cherkasina // Monomers, Polymers, Composites and Nanocomposites. Synthesis, Properties and Applications. - New Horizons, 2013. - P. 259-271.

Монографии:

7. Дударева (Черкашина) И.Л. Естественные и технические науки в современном мире / И.А. Дударева, Н.А. Боме // Под общ. ред. И.Б. Красиной. - Ставрополь: Логос, 2013 - С 31-59.

8. Bome N.A. Realization of Potential Possibilities of a Genotype at Level of Phenotype / N.A. Bome, S.A. Bekuzarova, L.I. Weisfeld, I.A. Cherkasina // Chemical Process in Liquid and Solid Phase. - Apple Academic Press-Francis&Taylor Group-Canada, USA, 2013. - P. 260-280.

Работы, опубликованные в сборниках научных конференций:

9. Сивцова A.M. Применение эпина как антистрессового препарата на сортах пшеницы / A.M. Сивцова, ИА. Черкашина // Наука и молодежь: Мат-лы IX Всероссийской науч,-практ. конф. студентов и аспирантов. - Н. Новгород: ВГНПУ. - 2008. - С. 156-159.

10. Черкашина И.А. Влияние климатических условий на динамику донорно-акцепторных отношений у сортов яровой пшеницы, выращенных в условиях Тобольского района / И.А. Черкашина // Менделеевские чтения - 2008: Мат-лы XXIX регион, науч.-практ. конф. молодых ученых и студентов. - Тобольск: ТГПИ им. Д.И. Менделеева. - 2008. - С 165166.

11. Сивцова A.M. Эффективность использования эпина при выращивании яровой пшеницы / А.М. Сивцова, И.А. Черкашина // Инновации. Интеллект. Культура: Мат-лы XVI Всероссийской регион, науч.-практ. конф. молодых ученых и студентов. - Тюмень: Изд-во «Нефтегазовый университет». - 2008. - С. 163-165.

12. Черкашина ИЛ. Регуляция роста, адаптивности и продуктивности разных сортов яровой пшеницы / И.А. Черкашина // Менделеевские чтения - 2009: Маг-лы ХХХХ регион, науч-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Тобольск: ТГПИ им. Д.И. Менделеева. - 2009. - С. 124-126.

13. Черкашина И.А. Основные элементы продуктивности яровой пшеницы, выращиваемой в Тобольском районе под действием эпина / И.А. Черкашина // Тобольск Научный -

2009: Мат-лы VI Всероссийской науч-практ. конф., посвященной памяти A.A. Дунина-Горкавича. - Тобольск: «Папирус».-2009.-С. 121-123.

14. Черкашнна H.A. Повышение устойчивости растений к стрессовым факторам среды с помощью препаратов, регулирующих ростовые процессы / И.А. Черкашина // Тобольск Научный - 2010: Мат-лы Всероссийской науч.-практ. конф. - Тобольск: «Полиграфист». - 2010. - С. 65-67.

15. Черкашина H.A. Реакция растений Triticum Aestivum L. на воздействие генетически активных веществ в раннем онтогенезе / H.A. Черкашина // Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов: Тезисы докладов Международной конф. - Тюмень: Изд-во Тюменского государственного университета. - 2010. - С. 99-101.

16. Черкашина H.A. Влияние циркона, эпина и пара-аминобензойной кислоты на признаки флаговых листьев мягкой яровой пшеницы / И. А. Черкашина, H.A. Боме // Тобольск Научный - 2011: Мат-лы VIII Всероссийской иауч.-практ. конф. - Тобольск: «Полиграфист». - 2011. - С. 94-96.

17. Черкашина H.A. Сортоспецифическая реакция яровой пшеницы на воздействие регуляторов роста по некоторым селекционно-ценным признакам / И.А. Черкашина, H.A. Боме // Ботанические чтения - 2010: Мат-лы Международной науч-практ. конф. «Ботанические чтения». - Ишим: Изд-во ИГПИ им П.П. Ершова. - 2012. - С. 68-69.

18. Боме H.A. Оценка структурно-функционального состояния TRITICUM AESTIVUM L. по показателям ассимиляционной поверхности флаговых листьев / H.A. Боме, И.А. Черкашнна // Мат-лы XI Международной конф., посвященной памяти академика РАСХН Немцева Николая Сергеевича. - Ульяновск: УГТУ. - 2012. - С. 157-164.

19. Черкашина H.A. Регуляторы роста как способ повышения физиологических показателей ассимиляционной поверхности растений яровой пшеницы / И.А. Черкашина, H.A. Боме // Мат-лы III Вавиловской международной конф. «Идеи Н.И. Вавилова в современном мире». - СПб: ВИР. - 2012. - С. 71-72.

20. Черкашнна H.A. Содержание химических элементов в зерне TRITICUM AESTIVUM L. на дерново-подзолистой почве подтаежной зоны Тюменской облает / И.А. Черкашина, H.A. Боме //Структурно-функциональные изменения в популяциях и сообществах на территориях с разным уровнем антропогенной нагрузкой: Мат-лы XII Международной науч.-практ. экологической конф. - Белгород: ИД «Белгород». - 2012. - С. 231-232.

21. Боме H.A. Значение генофонда для расширения биоразнообразия и повышения стрессоустойчивости культурных растений / H.A. Боме, II.H. Колоколова, Л.И. Вайсфельд, А.Я. Боме, И.А. Черкашина, С.А. Бекузарова // Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов: Тезисы докладов III Международной конф. - Тюмень: Изд-во Тюменского государственного университета - 2012. - С. 36-40.

22. Черкашина И.А. Повышение продуктивности и адаптивных свойств TRITICUM AESTIVUM L. с помощью физиологически активных веществ / И. А. Черкашина, H.A. Боме // Тобольск Научный - 2012: Мат-лы VIII Всероссийской (с международным участием) науч.-практ. конф. -Тюмень: ОАО «Тюменский издательский дом». - 2012. - С. 168-171.

23. Боме H.A. Способы снижения стрессовых воздействии на фито- и микробиоценозы / H.A. Боме, И.А. Дударева, А.Я. Боме // Мат-лы VII Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития». - М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева. - 2013. - С. 348-349.

Подписано в печать 19.11.2013 г. Тираж 120 экз. Печать трафаретная. Заказ 075. Отпечатано в печатном цехе «Ризограф» Тюменского Аграрного Академического Союза 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Дударева, Ирина Алексеевна, Тюмень

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки ТОБОЛЬСКАЯ КОМПЛЕКСНАЯ НАУЧНАЯ СТАНЦИЯ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

(ТКНС УрО РАН)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201454150

ДУДАРЕВА ИРИНА АЛЕКСЕЕВНА

СОДЕРЖАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ И АКТИВАЦИЯ МЕХАНИЗМОВ АДАПТАЦИИ ТЯ1Т1СиМ АЕ8Т1\/1]М Ь.

03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор с.-х. наук, профессор

Н.А. Боме

Тюмень - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................3

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................8

1.1 Экологические факторы окружающей среды. Влияние на растительный организм.........................................................................................8

1.2 Фитогормоны, регуляторы, стимуляторы, активаторы роста. Механизм их действия...........................................................................................10

1.3 Эффективность применения физиологически активных соединений разных химических групп на растениях............................................................17

1.4 Мягкая яровая пшеница как биологический объект исследования............32

2 ОБЪЕКТ, МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ........................38

2.1 Объект изучения..........................................................................38

2.2 Методика исследований................................................................39

2.3 Почвенно-климатическая характеристика района исследования ..............52

2.4 Гидротермические условия в годы исследования.................................61

3 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ ....................................................................................65

3.1 Морфологические особенности и физико-химические свойства почвы......65

3.2 Элементный валовый и фракционный состав почвы............................74

3.3 Биологическое поглощение и содержание химических элементов в органах яровой пшеницы .............................................................................81

4 ВЛИЯНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА БИОРЕСУРСНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ МЯГКОЙ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ..............92

4.1 Морфометрические параметры проростков яровой пшеницы в лабораторном эксперименте...................................................................................92

4.2 Полевая всхожесть семян и биологическая устойчивость растений..........................................................................................96

4.3 Изменчивость высоты растений в разные периоды вегетации................100

4.4 Морфо-функциональные изменения листьев......................................111

4.5 Содержание фотосинтетических пигментов в клетках флаговых листьев.. 122

4.6 Пораженность растений фитопатогенными грибами............................134

5 КОРРЕЛЯЦИЯ МЕЖДУ ПРИЗНАКАМИ ЗЕРНОВОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ........................................................................................136

5.1 Изменчивость признаков продуктивности.........................................136

5.2 Оценка влияния концентраций физиологически активных соединений,

способов обработки и сортовой реакции на продуктивность.....................152

ВЫВОДЫ ....................................................................................158

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................160

ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................174

ВВЕДЕНИЕ

Почвенный покров - незаменимый компонент биосферы в процессах обмена веществом и энергией, в котором главная роль принадлежит сложной и динамической системе почва-растение (Белых, Рябчикова, Серышев, Пензина, Тимофеева, 2007). Распределение веществ в этой системе зависит от многих факторов. Определяющими являются - концентрация вещества в почве, физико-химические свойства, степень подвижности элементов, формы соединений и взаимодействий, обуславливающие уровень миграции и доступности для растений, а так же климатические условия среды (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Эти факторы могут не удовлетворять потребностям растений, создавая условия стресса, угнетая их произрастание (Елькина, 2009). В свою очередь растительный организм обладает избирательной спецификой поглощения веществ, присутствующих в окружающей среде, ответных реакций на нехватку или переизбыток элементов питания и обмена, механизмами и уровнем устойчивости (Зырин, Каплунова, Сердюкова, 1985; Алексеев, 1987). Поэтому, перспективным в данном аспекте может быть применение физиологически активных соединений, оказывающих влияние на активизацию механизмов адаптации к химическому составу почвы в определенных климатических условиях (Шакирова, 2001; Прусакова, Малеванная, Белопухов, Вакуленко, 2005). Кроме того, сведения о содержании и распределении химических элементов в системе почва-растение представляют интерес для обоснования развиваемой в науке структурно-функциональной миграции химических элементов по трофическим цепям, данному направлению придается важное экологическое значение (Ильин, 2006).

Изучение ряда химических элементов - Аб, Са, Сё, Со, Сг, Си, Бе, Mg, Мп, Мо, №, РЬ, ЭЬ, Эг, Ъъ в составе почвы и растений является значимым. Согласно химической номенклатуре элементы Аб, Сё, Со, Сг, Си, Бе, Мп, Мо, РЬ, ЭЬ, Бг, Ъп относиться как к группе тяжелых металлов при большом содержании их в почве, так и к группе микроэлементов - при низких концентрациях, которые особенно необходимы для нормального роста и развития растений. Физиологическая роль элементов Сё и РЬ не достаточно

изучена, но известно, что в низких концентрациях они способны оказывать токсичное действие на растения, выражающееся в морфо-физиологических изменениях. Кроме того, на территории Российской Федерации в число контролируемых химических элементов в системе почва-растение входят: Сё, Ав, Си, РЬ, Ъъ, Бе, №, Бг, Сг. Элементы Са и М£ относятся к группе макроэлементов и являются главными в питании растений (Ворончихина, Ларионова, 2002; Кайгородов, 2010).

Таким образом, актуальным является изучение физико-химических свойств и элементного состава почвы, а так же особенностей нахождения и распределения ряда химических элементов в системе ( почва-растение, находящих отражение в био-морфологических адаптациях растительного организма к условиям среды под влиянием физиологически активных соединений.

Цель исследований - изучение содержания и распределения химических элементов в системе почва-растение и активации механизмов адаптации растений под влиянием физиологически активных соединений.

Задачи исследований:

1. Изучить типологию, морфологические особенности, физико-химические свойства почвы и распределение химических элементов в системе почва-растение.

2. Изучить взаимосвязь между содержанием химических элементов в почве и в растениях ТгШсит авБШит Ь.

3. Определить степень биологического поглощения ряда химических элементов из почвы вегетативными органами и зерном растений ТгШсит аевйуит Ь.

4. Рассмотреть влияние почвенно-климатических процессов и воздействия ФАС на функциональные характеристики и элементы продуктивности яровой пшеницы, определить долю вклада факторов в их общую изменчивость.

5. Выявить силу и направление связей коррелирующих признаков зерновой продуктивности ТгШсит аезймит Ь. с целью прогнозирования возможности их усиления.

6. Оценить эффективность способов обработки и концентраций растворов ФАС на сортах ТгШсит аезШит Ь. с учетом региональных особенностей почвенно-климатических условий.

Научная новизна. Впервые получены новые данные о физико-химических свойствах, элементном валовом и фракционном составе, соотношении и формах химических элементов дерново-мелкоподзолистой остаточно-карбонатной почвы Тобольского района Тюменской области. Определены подвижные формы элементов (Аэ, Са, Сё, Со, Сг, Си, Бе, Мп, Мо, №, РЬ, БЬ, Бг, 7л\), их значение для ТгШсит аеБНуит Ь. Выявлены активное поглощение ряда химических элементов (Са, Бг, Си, М^, Бе, Мп, РЬ) растениями яровой пшеницы и сортовые различия по коэффициентам биологического поглощения. Установлено, что качественный и количественный элементный состав растений изменяется под влиянием физиологически активных соединений. Изучено влияние климатических, эдафических, химических факторов на растительный организм. Изменчивость морфо-физиологических признаков пшеницы на фенотипическом уровне зависит от концентрации и способов применения соединений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Валовое содержание, формы химических элементов в окультуренной остаточно-карбонатной дерново-мелкоподзолистой почве и доступность для растений ТгШсит аезИчит Ь. обусловлены климатическими условиями, морфологией и физико-химическими свойствами почвы.

2. Количественное распределение элементов в вегетативных органах и зерне зависят от степени биологического поглощения.

3. Активация метаболизма растительного организма посредством воздействия физиологически активными соединениями, способствует повышению биоресурсного потенциала ТгШсит аеБйшт Ь. .

Практическая значимость. Результаты исследования состава и свойств дерново-подзолистой почвы могут быть использованы при оценке ее экологического состояния и изменений, данные о распределении химических элементов в системе почва-растение - в мониторинге окружающей среды.

Результаты изучения закономерностей поглощения и распределения химических элементов в растениях, их ответных реакций и механизмов устойчивости неспецифического характера можно использовать для оценки и прогнозирования состояния растительности в условиях антропогенного воздействия. Изучение изменений растений Triticum aestivum L. в культурном фитоценозе под влиянием ФАС может быть положено в основу биоиндикации состояния окружающей среды. Применяемые, инструментальные методы исследования химического состава природных объектов можно использовать при анализе отдельных компонентов ландшафта.

Методы химического анализа почв и растений, определения поглощения элементов из почвенного раствора могут быть использованы в учебном процессе вузов по направлениям «Экология» и «Биология».

Апробация работы. Основные положения диссертации апробированы на IX Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Наука и молодежь» (Нижний Новгород, 2008); XXIX Региональной научно-практической молодых ученых и студентов «Менделеевские чтения - 2008» (Тобольск, 2008); XVI Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Инновации. Интеллект. Культура» (Тобольск, 2008); VI Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти А.А. Дунина-Горкавича «Тобольск Научный 2009» (Тобольск, 2009); Всероссийской научно-практической конференции «Тобольск Научный - 2010» (Тобольск, 2010); Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (Тюмень, 2010); VIII Всероссийской научно-практической конференции «Тобольск Научный - 2011» (Тобольск, 2011); Международной научно-практической конференции «Ботанические чтения» (Ишим, 2012); XI Международной конференции, посвященной памяти академика РАСХН Немцева Николая Сергеевича (Ульяновск, 2012); Международной конференции, посвященной 125-летию со дня рождения гениального биолога XX века - Николая Ивановича Вавилова (Москва, 2012); VIII Всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции «Тобольск Научный - 2012» (Тобольск, 2012); Международной научно-практической интернет-конференции «Современные проблемы и пути

их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2013» (Украина, 2013); заседаниях кафедры экологии, естествознания и методики преподавания естествознания ФГБОУ ВПО «Тобольская государственная социально-педагогическая академия им. Д.И. Менделеева» (2009-2011 гг.) и кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет» (2013); заседании Ученого совета ТКНС УрО РАН (2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 - в зарубежном академическом журнале; 1 - в электронном научном журнале, зарегистрированном в научной базе Web Of Science, 2 коллективных монографии, одна из которых в зарубежном издании Канады и США.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 200 наименований, из которых 35 -иностранных авторов. Объем работы составляет 210 страниц машинописного текста, включая 35 таблиц и 40 рисунков. Приложение состоит из 30 таблиц, 5 рисунков.

Личный вклад соискателя. Лабораторные и полевые опыты, отбор, пробоподготовка, физико-химический и элементный анализ проб растений и почвы, анализ и интерпретация экспериментальных данных, математическая и статистическая обработка результатов выполнены лично Дударевой H.A. на базе Тобольской комплексной научной станции УрО РАН и на кафедре ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет».

Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность научному руководителю д.с.-х.н., профессору H.A. Боме за научную и методическую помощь в работе над диссертацией; заведующему лабораторией «Экотоксикология» ТКНС УрО РАН, к.т.н., Г.С. Алимовой за консультации, содействие и методическую поддержку в проведении химико-аналитических исследований.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Экологические факторы окружающей среды. Влияние на растительный организм

Среда обитания - все, что окружает организм, прямо или косвенно влияет на его жизнедеятельность. Среда является одним из основных экологических понятий, под которым понимают комплекс окружающих организм условий, влияющих на его жизнедеятельность.

В экологической классификации факторы делят по действию: положительно действующие, отрицательно действующие, безразлично действующие на живой организм.

Элементы среды, необходимые организму или отрицательно на него воздействующие, называются экологическими факторами.

По характеру воздействия различают прямодействующие и косвеннодействующие экологические факторы. Прямое воздействие фактора проявляется в его непосредственном влиянии на организм. Косвеннодействующие факторы влияют на организм опосредованно, через изменение прямодействующих факторов (Иванова, Титов, 2002).

По происхождению факторы делят на: абиотические (факторы неживой природы), биотические (влияние живых организмов друг на друга) и антропогенные (факторы хозяйственной деятельности человека).

К важным абиотическим факторам прямо- и косвеннодействующим, относятся: климатические (свет, температура окружающей среды, осадки, влажность), эдафические (физико-химические свойства почв), агрогенные.

Температура является одним из важнейших факторов среды. От температурных условий зависят все физиологические процессы и протекание биохимических реакций в растениях. Нормальный рост и развитие растительного организма может идти только при определенном количестве тепла и определенной длительности его воздействия. Температурный режим среды оказывает большое влияние на распределение атмосферных осадков. С

понижением температуры уменьшается интенсивность испарения и содержание влаги в воздухе.

Влажность почвы является одним из основных факторов, влияющих на водный режим растений. Избыток влаги или недостаток ведет к нарушению жизненного цикла. Различного типа почвы способны содержать разное количество воды. Всю почвенную влагу подразделяют на доступную и недоступную растениям. Доступными формами воды является вода, заполняющая промежутки между порами почвы (гравитационная) и почвенных капилляров (капиллярная). Нормальному поглощению воды корнями растений способствует температура почвы, концентрация растворимых солей, рН почвы, плотность, пористость и скважность аэрации.

Почвенные факторы, оказывающие влияние на рост и развитие живых организмов, получили название эдафических (от греческого эдафос -основание, почва).

Эдафические факторы - совокупность физических и химических свойств почв, способных оказывать влияние на живые организмы (растения).

Они делятся на химические - рН реакция, солевой режим, элементный химический состав, обменная способность и состав обменных катионов; физические - водный, воздушный и тепловой режимы, плотность и мощность почвы, её гранулометрический состав, структура и др. Важнейшими экологическими факторами являются влажность, температура, пористость, скважность аэрации (Минеев, 2006).

В работе Г.В. Голова (2001) дана оценка природно-климатических условий, характеристика почвенного покрова пахотных земель. Подробно рассматриваются эдафические, абиогенные и агрогенные факторы экологии растений: содержание и режимы основных биофильных элементов (макро и микро), влаго- и теплообеспеченность, окислительно-восстановительные условия и реакция почвенной среды, а также биология и экология культурных фитоценозов.