Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние естественных и антропогенных факторов на формирование микроэлементного состава продукции растениеводства

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Влияние естественных и антропогенных факторов на формирование микроэлементного состава продукции растениеводства"

#

На правах рукописи

ТОРШИН Сергей Порфирьевич

/

ВЛИЯНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА

(Специальность 03.00.16 — Экология и 06.01.04 — Агрохимия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

МОСКВА 1998

Диссертационная работа выполнена в лаборатории микроэлементов и на кафедре агрономической и биологической химии Московской сельскохозяйственной академии имени К- А. Тимирязева.

Научный консультант — доктор биологических наук, академик РАСХН, Б. А. Ягодин.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, академик РАСХН, В. Ф. Ладонин; доктор биологических наук, профессор М. Я. Ловкова; доктор сельскохозяйственных наук, профессор Ю. П. Жуков.

Ведущее учреждение — Центральный научно-исследовательский институт агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО).

.защита диссертации состоится тт. . . 1998 г.

в Яг*. . . час на заседании диссертационного совета Д. 120.35.08 при Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49. Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан . ^^^ .... 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета — кандидат биологических наук

А. В. Чичёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Аитуал.1юсть^твми. Научно-технический прогресс в области диалогических основ рационального питания для и регулиров.члия качества сельскохозяйственной продукции, исследования биогеохимического состояния агроландшафтоп о услошш лозрасгготцего гохпогсниого ьоздсйствия создали объективные предпосылки для расширения круга задач, решаемых агрохимией и установления более тосннх взаимосвязей агрохимической науки с экологией, биогеохимией микроэлементов и геохимией лгшдшаф тов, почвоведением и другими научными дисциплинами. Уточнение и корректировка згу|ач современной агрохимии ииязгшы в значительной степени с осознгишем роли микроэлементов в жизни растений, животных и человека (Пернадский, 1934, Виноградов, 19да, Ковальский, 1974, Пошел, 1979, Перельман, 1982, МсгЬ^, 1906, Г^\шкин, 1987, Минеев, 19ва, Ягодин и др., 1990, Авцьш и др., 1991). Однако, решение проблемы микроэлементов в производстве полноценных продуктов питания наталкивается на ряд осложняющих обстоятельств. Состояние в отой области существенно отличается от того, с чем приходится иметь дело при решении задач агрохимии макроэлементов. Важнейшие отличия состоят в следующем:

1. Недостаточная информационная база но Оиогеохимии микроэлементов в основных сельскохозяйственных регионах России. В общем можно констатировать, что к настоящему времени имеются лишь фр;\гме(Ш1рные и разрозненные сведения как по содержанию многих микроэлементов в поч-венно-растительном покрове, гак и в отношении их биогеохимических по токов и функций в агроландшафтах.

2. Количественное содержание и состояние микроэлементов в агроэ-косистемах характеризуются высоким уровнем дин;1мичности, что связано с активностью мобилизги^онно-иммобилизационпих процессов, а также с техногенными нагрузками. Зачастую и информация об уровне и составе загрязнения территории тяжелыми металлами и микроэлементами недостаточна. Ото приводит к необходимости создания, постоянного расширения и корректировки информационной базы о биогеохимии микроэлементов на территории России.

3. Степень варьирования содержания микроэлементов в природных объектах, включая и организмы одного пида, гораздо ььяае (до п*1031), в сравнении с макроэлементами (до 30Х). Это обстоятельство вылмияйт потребность й более строгих подход:« к [.«араГютке критериев оценки

снособоя технологического регулирования микроэлементного состава сельскохозяйственной продукции с учетом состоянии микроэлементов в конкретных сельскохозяйственных угодьях и, соответственно, значительного совершенствования культуры агропромышленного производства.

Совокупность этих особенностей определяет актуальность как изучения пространственно-временного варьирования элементного состава природных объектов, так и разработки способов его регулирования.

Цель и задачи исследований. Цель работы: Установить возможные пределы природного варьирования содержания микроэлементов в растениях в условиях биогеохимических аномалий; оценить возможности регулирования микроминерального состава продукции растениеводства агрохимическими методами, в том числе в условиях биогеохимических аномалий, изучить факторы определяющие размеры поступления микроэлементов в растения. Задачи исследований включали:

- изучение биогеохимии микроэлементных аномалий агроландшафтов ряда провинций и субрегионов ЦЧН и 1143 РФ;

- создание банка данных элементного состава природных объектов и выявление территорий с выраженными признаками биогеохимических аномалий;

- изучение агрохимии селена и лития при возделывании орощных, зерновых и кормовых культур и возможностей регулирования содержания этих микроэлементов в полученной продукции;

- изучение статистических взаимосвязей и зависимостей между поступлением в растения Эе и 1Л с другими макро- и микроэлементами.

Ос!1ош!)£Э зацк^аетгэ пшюжеиия .

1. В естественных и сельскохозяйственных ландшафтах таежно-лес-ной, лесостепной и степной зон Русской равнины выявлено наличие аномалий в микрозлементном составе ночи, растений и природных поверхностных вод. Так, в природных объектах Белгородской области Белгородского района - повышенное в 3-11 раз содержание кобальта и пониженное в 1,Ь-4 раза содержание меди, в северо-западных областях Нечерноземной зоны - дефицитное, в 2-6 раз пониженное содержание селена, в южной части Талдомского района Московской области - повышенное и ?.,Ь Г) раз содержание лития по сравнению со средними значениями обобеджних данных.

2. Наличие территорий с проявлением Сиогеохимических аномалий в почвах, растениях и водах, оказыааивщх существенное влияние на качество сельскохозяйственной продукции - сбалансированность по микро-миисральному составу - дает основание для проведения наряду с агрохимическими исследованиями широких Сиогеохимических обследов;ший сельскохозяйственных угодий с целью установлении границ и уточнения масштабов их проявления, а тшске выполнения необходимых картографических работ.

3. На основании вегетационных и производственных опытов установлены возможности получения полноценной по содержанию микроэлементов продукции растениеводства на почвах, отличаювдхся выраженным недостатком селена, а также специальной продукции с ааданным микроэлементным составом (например, для медицинских целей). В частности, разработаны способы повышения содержания в товарной части овощных, зерновых и кормовых культур содержания селена до 1600% и лития до 700% без снижения урожая и его качественных показателей. В результате исследований выявлены ({акторы, оказывающие влияние на размеры концентрирова-

. ния селена и лития в сельскохозяйственной продукции, которое могут быть использованы для регулирования их содержания.

Научная новизна. Впервые охарактеризованы неюэторые агрогеохими-ческие особенности ряда территорий ЦЧ0 и НЧЗ. Установлено, что компоненты агроэкосистем Белгородского района Еелгородской области обогащены кобальтом и обеднены медью, в связи с тем, что эти объекты расположены в зоне влияния Курской магнитной аномалии (КМА). Выявлена ограниченная территория Талдомского района Московской области, природные объекты которой обогащены литием.

Впервые в России предложен агрохимический способ обогащения продукции растениеводства селеном для коррекции седенодефицита в пище и кормах. Обоснована и доказана высокая эффективность обогащения селеном ряда овощных культур при внесении селена в почву. Определена видовая избирательность ововдшх культур накапливать селен, и установлено, . что растения чеснока наиболее интенсивно накапливают селен. Дана оценка взаимосвязи селена с другими микроэлементами при поступлении их в растения: антагонизм с кобальтом и синергизм с цинком. Обозначены размеры накопления Зе яровой пшеницей, яровым рапсом и люпином

желтим при внесении различных количеств солона в почку. Изучены вопросы биогеохимии и агрохимии литии и возможности обогащения зорка пшеницы и листьев салата атим микроэлементом для получения лекарственной продукции. Исследованы особенности взаимовлияния лития и цинка при поступлении их в растения. Создан уникальный компьютерный банк данных элементного состава природных объектов (*!> (ОХР), пооволяющий осуществлять хранение, ввод - вывод больших объемов информации, поиск необходимых данных по объектам, пространственным и временным параметрам, по границам колебаний содержании химических элементов и вычислять их соотношение.

Прштмеская значимость и реализация реа^в»татоа работы. Результаты исследований нзправлены на практическое решение вопросов сбалансированности продукции растениеводства по микрозлементному составу. В частности, обогащение съедобной части культурных растений 5е и Ы для получения диетической и лекарственной продукции. Научные разработки но агрохимии селена внедрены в производство в виде технологии выращивания листового салата методом тонкослойной проточной культуры.

Обнаруженный дефицит меди в природных объектах Белгородского района Белгородской области дает основание корректировать систему применения микроудобрений в земледелии этих территорий для повышения урожая сельскохопяйственных культур и его качества.

Накопленная в банке данных элементного состава природных объектов РФ и СНГ информация реализуется в определении биогеохимических аномалий, рааработке научно обоснованных приемов рационального приро-допольвок.чния, в том числе особенностей ведения сельского хозяйства на геохимически разнородных территориях.

Условия, объекты м методы исследований. Исследования пыполняли по двум направлениям: агроэкологическое и биогеохимическое обследование ряда областей ЦЧР (Белгородская и Курская области) и (ТО Св основном - северо-пападныс области) в период 1390-1996 гг. и проведение лабораторных, вегетационных и полевых опытов. 11ри отборе и подготовке к аиалиэу на 10 микроэлементов и тяжелых металлов образцов растений, почв и вод руководствовались методическими подходами, наложенными в работе 1Аз1гик е1. а1., 1983. Вегетационные опыты с овощными, кормовыми и аернопши культурами проводили с ж;и«льиов.чнием наиболее расп-

ространенных для НЧЗ дерново- подзолистых и серых лесных почв но общепринятым методик;«. Микро- и макроудоброния вносили в виде химически чистых солей. Нолевой опыт о лшином желтым - в Брянской области на серой лесной почве, площадь делянки - 10 мй. Производственный опыт с проточной тонкослойной культурой - на базе агрофирмы "Криоталл-СТ". Содержание микроэлементов и тяжелых металлов определили методом атомно- абсорбционной снектрофотометрии (Хавезов, Цалов, 1933), селена флуорометрически (Ермаков, 1985).

Апробация работа. Основные результаты исследований доложены на научных конференциях Московской с. х. академии им. К.А.Тимирязева (Москва, 1988, 1992), Закавказской конференции молодых ученых и специалистов "Интенсификация агрономического производства в современном этапе" (Баку, 19Й9), XI Всесоюзной конференции по микроэлементам "Геологическая роль микрозлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине" (Самарканд, 1990), Всесоюзной школе "Геохимическая экология и биогеохимическое районирование биосферы" (Архангельск, 1991), Международном симпозиуме по регулировании питания растений в целях поддержания продуктивности (Индия, Лудхияна, 1992), Международной конференции "Экология и экологическое образование" (Алма-Ата, 1903), научно-практической конференции "Микроэлементы в сбалансированном питании растений животных и человека" (Нижний Новгород, 1993), научной конференции "Эколого-агрохимические, технологические аспекты развития земледелия среднего Поволжья и Урала" (Казань, 1995), научной конференции "Совершенствование методологии агрохимических исследований" (Белгород, 199S), втором международном симпозиуме "Питание и здоровье: биологически активные добавки к пшде" (Москва, 1996), Всероссийской конференции по биотехнологии (Ставрополь, 1996).

Публикация. Основные материалы диссертации опубликованы в 35 статьях, помещенных в научных журнал;«, методических указаниях, науч но-производственных сборниках совещаний, симпозиумов и конференций.

Обьеи п структура rexceprapsi. Диссертационная работа состоит из введения 9 глав, выводов, рекомендаций, приложений и включает 83 таблицы и 13 рисунков. Список использопашюй литературы состоит из ЗЗв источников; из них 1R5 - иностранных. Общий объем 296 стр.

1. ШКРОЭЛЕШГШ В ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЧЕРНОЗаЯЮГО РЕГКОНА РОССИИ (ЦЧР)

Несмотря на то, что история отечественной биогеохимии посчитывает более 70 лет, далеко не вое территории ТО изучены по элементному составу природных объектов. Большие территории Черноземной зоны России, долгое время считались биогоохимически эталонными (Ковальский, 1974). В то же время геохимия ЦЧР, в частности, наличие и разработка рудных месторождений КМД позволяет предполагать специфику биогеохимических потоков микроэлементов в компонент;« око и агргокосистем.

Состав культурных растений, широко возделываемых в Белгородской области (01IX "Белгородское"), показал значительную вариабельность содержания изучаемых микроэлементов (табл. 1). В большинстве случаев рапмах колебаний увеличивался с уменьшением абсолютного содержания химического элемента. Так, если концентрации Fe, Мп и '¿п изменялись в ¡2-6 раз, то для Си - до 11 раз, а для Со, Cd, N1, Сг и Li - до 11, 14, 10 и 24 раз соответственно. В отличие от Fe, Мп и 7л, концентрации которых в сельскохозяйственных растениях Белгородской области соответствовали приведенным в литературе обобщенным данным (Кабата Пендиас, Пендиас, 1989, Wolnlk et. al ., 1083, 1983а, Ягодин и др.., 1989, 1990). для содержания Си и Со были обнаружены аномалии. Наибольшие концентрации меди в зерне пшенииы и ячмени не превышали 4,5 мг/кг (в большинстве случаев - 2-3 мг/кг), тогда как средние концентрации меди для зерна пшеницы и ячменя по обобщенным данным (Ягодин и др., 1989) составляли 5 и 6 мг/кг, а наибольшие - 8-10 мг/кг (рис. 1). Низкие значения содержания меди отмечены и для других исследуемых культур (в сравнении с данными Кабата Пендиас, Пендиас, 1989). В отношении кобальта, наоборот, для исследуемых культур Белгородской области было получено превышение значений по сравнению с литературными данными. Кобальт относится к числу элементов, содержание которого в растениях не превышает 0,1 мг/кг, и обычно составляет^ сотые доли мг/кг (Кабата Пендиас, Пендиас, 1У89). По данным ичибл. 1 в зерне озимой пшеницы и ячмени концентрации этого элемента в 3-11 раз превышали значения обобщенных данных.

Оамммм лиюница двчмань

Со Со Си Си ОПХ Белгородское

Со Со Си Си Литературные данные

Рис.1. Содержание Си и Со в зерне озимой пшеницы и ячменя

1Ш---

150 1« 133 120 ПО 1С0

ш сэ 70

га

у-А1102** 1*4,13 И* • О,««

О 1Ш 20Э 300 400 500

Рио.2. (Ъаииосеязь Со я 8я а з^рне озимой пшеницы

7Ш Со, (ее:*гг

Ряо.3. Содгржаяи» и в некоторых ргстенихх ЦЧР (1-Зяпоб«днкх "Стрелеи*аа Степь", 2- СПХ "Бейгвзк^дсгтаэ",

- а -

Таблица 1.

Содержание Fe, Mil, Zn, Си и Со в культурных растениях Белгородского района Белгородской области, мг/кг сухой м<*.хы (в числителе - пределы колебаний, в знаменателе - средневзвешенное значение).

| Культура п Fe Мп 7.11 19-70 Си 0.0 4.2 "273 Со 0.06-0.68 --07i7~ Li 0.08-1.00

Озимая пшеница, зерно 45 17- за 16-65

'¿а 0.33 0.04-0^44 0.12-2.88

Ячмень, зерно 30 21-111 16- 65 28- 42 2.1-4.2 3.1 0.48-1.10

ж " 0 .G5 0-0.76

Кукуруза, зерно 30 20- 42 9- 34 TZ 6- 13 12-20 - 0.6-1.7

... _д... а- 16 ""W 11- 30 22 ~ ЗГ>- 1313 " п..... .....О.Ш

Горох, зерно 25 23- а? 2.2-6.0 0.05-0.44 0.40-2.12 —S7B5~

"Ж" 11-23 113-31 ""ЯГ з.'в 0.13

Люцерна, зеленая масса, 1-й у к«; 30 30-^52 0.3-3.9 0.7 7.5 473 " 0.52-1.50 in—' 0.96-1.40 —г/я— 0.32-1.87

171В~ 0.46-3.15

Люцерна,зеленая масса, 2-й укос Сахарная свекла, корнеплоды 30 30 43- 23!5

.... i 61- .

43- 110 70 30- 82 11-20 "V3T 1.4-3.2 0.48-1.26 1.12-5.44 --2744

■ 4V - ......

Следует отметить видовые особенности сельскохозяйственных культур накапливать микроэлементы: в зерне кукурузы обнаружено меньше, а в зерне гороха - Ге, Мп, '7.п и Си по сравнении с зерном озимой пшеницы и ячменя. Зеленая масса люцерны особенно 2 укоса отличалась повышенным содержанием Ре и а в корнеплодах сахарной свеклы напаивалось мало меди (табл. 1). Литий в изучаемых культурах распределялся также неравномерно. Меньшие количества этого элемента были обнаружены в зерне злаков и кукурузы - 0,04-2,9 мг/кг, больше лития накапливали бобовые - горох и лщерна - 0,3-3,2 мг/кг и максимальным накоплением и отличались корнеплоды сахарной свеклы,- 1,1-5,4 мг/кг.

Размеры накопления О!. Сг и Ш в растениях не превышай 1ЩК, й не било обнаружено каких; либо тенденций ихоизменения в связи с особенностями растений и акологичоскими условиями.

Ллн изучения взаимовлияния химических элементов при поступлении их в растения, большие массивы цифрового материала (значения результатов апсииза оО[хищов, полученных в р;шличннх местах отбора) обраба-

тываот методом корреляционного анализа. Из всего массива данных тесная обратная взаимосвязь была получена только для двух пар элементов: Se-Co и Li-Zn - г -0,91 (рис. 2) и -0,77 соответственно.

Изучение элементного состава культурных растений в последующие 1991-1992 гг показало минимальные отклонения по сравнению с 1990 г.

При проведении агроэкологического мониторинга микроэлементов и тяжелых металлов в качестве фоновых территорий использовали заповедники Белгородской ("Лес-на-Ворскле") и Курской (Центрально-Черноземный биосферный заповедник им. В.В.Алехина, "Стрелецкая степь") областей, а также не нарушенные деятельностью человека участки агроэкосис-тем. Для природных объектов заповедников и естественных ландшафтов также оказалось характерным высокое, содержание кобальта и низкое -меди. Следует отметить аномально высокие количества лития, обнаруженные в растениях заповедника "Стрелецкая стень": до 3 мг/кг - в пустырнике (Leonurus cardiaca L.), до 6 мг/кг - в разнотравье и до 24 мг/кг - в шалфее луговом (Salvia pratensis I..) (рис. 3). Если значения концентрации лития в пустырнике можно отнести к повышенным, то шалфей на основании приводимых данных является концентратором этого элемента. Травянистые растения заповедника "Лес-на-Ворскле" накапливали умеренные количества лития - 0,9-1,3 мг/кг. В Белгородской области встречается реликтовая соска, произрастающая непосредственно на известковых (меловых) породах ("меловая сосна"). Но ботанической классификации она не выделена в отдельный вид и принадлежит к виду Pínus sylvestris vr. cretacea. Наиболее яркое отличие микроэлементного состава хвои меловой сосны - минимальное накопление Мп (13+3 мг/кг).

Особенность обследует« нами почв ЦОД - высокое, но ерггннению с литературными, данными содержание кобальта. Верхний предел содержания подвижного Со для почв ЦЧР, по данным Адерихина и Копаевой (1966, 1974), Копаевой (1982), Копаевой, Переславцевой (1S86) составляет 2,5 мг/кг. Для почв белгородской области содержание подвижного кобальта превышало 3 мг/кг (для черноземов 4,0 мг/кг и более). В исследуемых поверхностных водах ЦЧР было обнаружено гораздо больше Fe, Мп, Со, Li, а в отдельных пробах и Cr по сравнении с известными максимальными величинами (Bowen, 1979).

Аномально высокое содержание Со ti почвах, растениях и иод.чх о&ь-

ясняется экологическими условиями Белгородской области. Проходящая по ее территории Курская магнитная аномалия (КМА) - источник добычи железистого кварцита в промышленных масштабах (Алексеев, Овчинников, 1089, Кудинова, Шульга, 1985) - вероятная-иричина повышенного кобальтового фона (Кабата Пендиас, Пендиас, 1989). Агроэкосистемы, находящиеся над КМА являются, по-видимому, частью вторичной кобальтовой биогеохимической провинции. Железистый кварцит залегает на не досягаемой для земледельческих работ глубине 10-20 м. Кроме того, непосредственному пере-носу Со в пахотные почвы будет препятствовать естественный геохимический барьер - меловая материнская порода почв исследуемых территорий. Поэтому наиболее вероятные пути загрязнения почв и растений кобальтом: 1 - эмиссия в атмосферу й ветровое рассеяние в агроэкосистемах обогащенной Со ныли, образующейся при добыче руды и 2 - подпитка почв водами, содержании повышенные его количества.

2. СЕЛЕН В ДЕПОККРУЮВДС СРЕДАХ НЕЧЕНЮЗЕШОЙ ЗОНЫ ЕВРОПЕЙСКОЙ

ЧАСТИ РФ Н КОРРЕКЦИЯ ДЕШЦЛГА Se В ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА

Соленодофицитное состояние северо-западных территорий от Московской области до границ с Финляндией установлено биогеохимиками (Ковальский, 1974, Ермаков, Ковальский, 1974, Ковальский, Ермаков, 1975, Ермаков, 1978, Emakov, 1992) при обследовании экосистем, не затронутых антропогенезом. За несколько девятилетий детальное обследование обширных регионов РЕ оказалось технически невозможным, и информация, дополняющая общую картину биогеохимии селена в Нечерноземной зоне, представляет несомненный интерес. Кроме того, изучение содержания So в компонентах агроландшафтов осталось в стороне от этой кроблеш. Неадекватное содержание Se в продуктах питания и кормах приводит к возникновении эндемичных заболеваний человека и животных (Underwood, 1977, Ковальский, 1974, Авццн и др., 1991), в связи с чем' проблема коррекции 5е- дефицита имеет чрезвычайно важное значение.

В период 1992-1995 гг нами было проведено обследование на содержание солона в природных объектах Рязанской и Московской и ряда северо-западных областей РФ. Валовое содержание Sc в почвах колебалось в пределах 62-729 мкг/кг, в средном дли Солмаинстиа почв - менее 200

мкг/кг. т.е. с дефицитными концентрациями. Максимальные количества микроэлемента (524-727 мг Se/кг) обнаружены в торфянистых, болотных, оглеенных и образованных на карбонатных породах почвах. Воды рек бассейна Балтийского моря, озер: Ладожского, Онежского и Ильмень, рек: верхней Волги, Онеги, Северной Лвиин содержали о,0S -1,6 мкг Se/л, причем, болсо, чем в 30Z образцов вод содержание селена составляло менее 0,2 мкг/л, что ниже средней величины, характерной для вод гу-мадной зоны (Конова, 1993). Такие воды не могут служить дополнительным источником селена для животных и человека, так как к полноценным относят воды с концентрацией Se выше 10 мкг/л.

Известно, что накопление селена растениями зависит, помимо содержания в почве и его доступности, от-вида растения (Bollard, 1983), поэтому на обследуемых территориях параллельно почвенным образцам отбирали образцы наиболее характерных растений. Полученные данные также показали, что содержание селена в дикорастущей флоре Нечерноземной зоны не всегда связано с концентрациями селена в почве. Определить семейства растений, которые выделялись бы как концентраторы селена, не представлялось возможным: во всех обследованных семействах присутствовали виды с пониженным и высоким содержанием Se. Кроме того, в ряде случаев наблюдалась большая вариабельность содержания селена в растениях одного вида: для вики, овсеца, нивяника, например, концентрации Se колебались в 18-33 раза. В общем, содержание Se в растениях изменялось от 1 до 409 мкг/кг при среднем содержании элемента в большинстве видов не более 100 мкг/кг, что близко к дефицитиому для луговых и пастбищных трав уровню (Конова, 1993).

Обследованные нами почвы, занятые под частные хозяйства в.Тверской, Ярославской, Московской и Брянской областях, и иативные почвы этих территорий оказались большей частью также дефицитными по содержанию доступных для растений форм селена (табл. 2). Наблюдающееся в ряде мест отбора проб аномально высокое содержание селена, превышающее 2000 мкг/кг, по-видимому, объясняется внесением торфа и высоких доз. фосфорных удобрений. Концентрации селена в зеленных культурах в больиинство случаев соответствовали содержания элемента в почве (г 0,44-0,94). Другим ярким примером дефицита солена в природных объек-

Таблица 2

Содержание Se в окультуренных почвах и растениях, мкг/кг сухой массы

Место отбора образца п Почва Овощные культуры

Область Район Петрушка Укроп Салат

Тверская Ярославская Московская Брянская Весьегоникий Ярославский Лобненский Чеховский Можайский Брянский Брянский Брянский Брянский 5 7 4 3 4 6 6 8 5 72+0 272+73 477+25 >2000 >2000 450+47 696+98 >2000 234+67 65+7 07+8 56Т5 92+10 94+7 62+5 68+6 61+4 68+8 111+9 140+15 124+21 54+5 83+7 75+7 100+9

г - - 0,94 0,56 0.44

тах северо-запада РФ являются данные агроэкологического обследования Талдомского района Московской области: в почвах и в зерне культурных злаков обнаружено достаточно ровное, но крайне низкое содержание селена - 76-98 и 79-86 мкг/кг соответственно.

Полученные нами результаты по содержанию селена в почвах, водах и растениях (дикорастущих и культурных) и литературные данные свидетельствуют об имеющемся дефиците солена на обследованных территориях. Безусловно, следует решать и проблемы устранения дефицита.

Дозы селена для проведения вегетационных и полевых опытов устанавливали учетом результатов лабораторных опытов 1га изучению толерантности проростков культурных растений к различным концентрациям бисслеиита натрия в питательном растворе Кнона в условиях водной культуры. Пороговые концентрации селена составляли; дхя пиекицн -0,5; рапса и люпина - 2,5; кукурузы - 5,0; гороха - > 5 иг/л.

Наиболее -эффективный н метод обогащения продукции рготен.^ззедс-тва селеном за рубежом - внесение Se в почву совместно с макроудобре-нилми (Ylaranta, 1986, Kivlsaari Simo, 1989). Для моделирования коррекции селенодефицита растений в опытах использовали в основном этот метод. В выборе культур, с помощью которых легко вводить добавочные количества селена в пищу, руководствовались: 1 - требованием использования этих растений в сыром виде, т.к. соединения селена летучи и при тепловой обработке свыше 40°0 могут утрачиваться (Zingaro, Сор-

per, 1974), 2 - культуры должны иметь непродолжительный период до сбора готовой продукции, 3 - растения используемых видов должны накапливать много селена. Отвечают таким требованиям, в первую очередь, зеленные культуры: укроп, редис, пекинская капуста, петрушка, салат, чеснок и пр. Другие опытные культуры - пшеница, рапс и люпин.

Селен не относится к числу необходимых для растений микроэлементов, и внесение ого в почву в дозах 250 мкг/кг в виде биселенита натрия не оказывало существенного влияния на урожай овощных культур. В контрольных (без селена) вариантах овощные культуры накапливали 5е в сравнительно небольших количествах - 56-303 мкг/кг сухой массы (табл. 3). Наибольшие концентрации этого элемента были обнаружены в растени-

Таблица 3

Влияние биселенита натрия (250 мкг Зе/кг почвы) на содержание Зе в товарной части овощных культур, мкг/кг сухой массы. Вегетационные опыты, дерново-подзолистая почва, содержание селена - 390 мкг/кг

Культура Контроль Se Культура Контроль Зе

Редис 56+4 206+ 9 Укроп изг/ 289+ 9 733+22 623+11

Пекинская капуста 157+9 350+14 Петрушка,листья корни 193+4 67+Б

Салат 72+8 432+ ß Чеснок 303+9 1421+40

ях чеснока, наименьшие - в корнеплодах редиса и надземной части салата. Внесение селена привело к резкому увеличению его содержания. В зависимости от дозы растения накапливали Зе на 220-9302 больше по сравнению с контролем. Последовательное повышение дозы селена приводило к увеличению его содержания в растениях (до 1600%). Максимальными размерами аккумуляции Зе, («ж при удобрении селеном, так и без него, отличались растения чеснока. Следует отметить, что в надземной части растений петрушки накапливалось больше 5е, чем в корнях.

Содержание селена в овощных культурах, удобренных биселенитои натрия, зависело и от свойств опытных почв. Так увеличение дозы селена со 125 до 250 мкг/кг почвы не приводило к повышению концентрации Ее а растениях редиса и укропа на тяжелой почве, тогда как т легкосуглинистой - при дозе 126 мкг 5е/кг насыщения растений селеном не

было отмочено, и двукратное увеличение дозы биселенита привело к более, чем двукратному повышению содержания Бе в съедобных частях растений. Очевидно, что селен, внесенный в тяжелую ночву, менее подвижен и доступен для растений по сравнению с легкосуглинистой почвой.

В двухлетнем вегетационном опыте с люпином внесение селена без изменения урожая приводило к резкому повышению содержания Бе как в зеленой массе, так и в зерне люпина (табл. 4): наименьшая доза селена -250 мкг ое/кг увеличивала содержание этого элемента в зеленой массе в 4 раза, максимальная - выше, чем на порядок. Еще более выраженное накопление селена под влиянием МаНЗеОэ наблюдалось в семенах. На контроле в зерно и зеленой массе люпина содержалось приблизительно одинаковое количество селена - 116-154 мкг/кг, а при внесении ■биселенита натрия зерно более, чем в 2 раза интенсивнее накапливало селен, и при дозе 1000 мкг Уе/кг обнаружены наибольшие его количества - более 3 мг/кг (табл. 4). Люпин содержит в зерне до 467. белка (Сипицыиа и др., 1988) и, по-видимому, гораздо большая способность семян накапливать 5е связана с замещением серы на селен в аминокислотах - структурных компо-

Таблица 4

Содержание о'с в зеленой массе и зерне люпина, мкг/кг, 1- без Мо, 2- замачивание семян, 3- внесение Мо в почву. Вегетационные опыты.

Вариант Лоза селена. МКГ/КГ ПОЧВЫ

0 250 500 • 1000 |

1995 1996 ср. 1995 1996 ср. 1995 1996 ср. 1995 1б96 ср.

Зеленая масса

1 2 3 143 134 140 90 136 142 11В 543 457 600 549 526 372 503 883 836 952 861 854 918 849 1548 1522 1540 1480 1403 1544 1501

НСРо5 36 28 - 131 124 - 225 197 - 366 328 -

Зерно

1 2 3 140 10Ь 168 187 156 154 146 1168 1109 1280 1567 1062 1224 1338 1975 1737 2465 2243 *ЙЙД) 2285 3293 3584 3674 3986 3615 3484 3785

НСР05 31 38 - 226 2У7 - 471 - 896 833' -

центах белков (Вееэоп, 1961, Кабнта-Пенди!«, Нондиас, 1989, А1Ьазе1 <Я а1., 1989). Применение молибдена существенно не влияло на содержание селена в растениях люпина и увеличивало накопление Мо - содержание этого элемента с 2-4 до 18-23 мг/кг.

В полевых условиях (Брянская область) на серой лесной средкесуг-линистой почве (содержание 5е - 318 мкг/кг) был апробирован другой способ внесения селена - внекорневая подкормка люпина. Растения опрыскивали водными растворами (0,0005 и 0,002%) МаПЗеОд в фазу бутонизации. Такая обработка люпина достоверно не влияла на урожай, но приводила к повышению содержания Ь'е в зеленой массе и в зерне ('табл. 5). При концентрации биселеиита натрия 0,0005% содержание ^е увеличива-

'Габлица 5

Содержание Se в растениях люпина, мкг/кг сухой массы. Полевые опыты.

Часть растения Контроль Se 0,00052 Se 0,002% НСР05

1995 1996 1995 1996 1995 1996 1995 1996

Зерно — 143 — 528 — 1140 --- 66

Зеленая маха ИЗ 158 493 617 995 1240 147 66

лось в зерне и в зеленой массе - в 3,4-4,4 раза; повышение концентрации соли в препарате до 0,002% приводило к дальнейшему приблизительно двукратному увеличению концентрации селена.

В вегетационном опыте с рапсом (дерново-подзолистая тяжелосуглинистая почва, 390 мкг Se/кг) урожай семян при внесении биселенита натрия существенно не изменялся (табл. 6). Содержание Se в зеленой массе и в семенах рапса положительно коррелировало с количеством добавленного в почву NaJISeOa- Так при дозе 50 мкг Se/кг содержание его в зеленой массе и в семенах возросло более, чем в 2 раза (на 123-141%), а увеличение дозы до 500 мкг/кг приводило к 5 кратному повышению концентрации Se в зеленой массе по сравнению с контролем. В отличие от люпина семена рапса оказались более копсервативпши в отношении увеличения накопления селена при высокой его дозе. Жирнокис-лотный состав рапсового масла практически не изменился при внесении

Таблица 6

Урожай семян рапса и содержание селена. Вегетационный опыт.

Доза селена, мкг/кг почвы Урожай семян Содержание селена

в фазу 5-7 листьев в семенах

г/сосуд X мкг/кг X мкг/кг %

0 6.8 100 193 100 205 100

50 6.5 96 466 241 458 223

500 6.2 91 966 601 699 292

НСР05 1.8 64 109

селена, хотя и наблюдалась тенденция повышения уровня суммы олеиновой и линолевой кислот (табл. 7). Достоверное снижение содержания линоле-

Таблица 7

Жирнокислотный состав семян рапса, X (в скобках - +/- к контролю)

Кислота Доза селена, мкг/кг почвы НСР05

0 50 500

Олеиновая 62.6 63.1 (40.5) 62.0 (-0.6) 4.0

Линолевая 20.6 22.0 (-И.4) 22.3 (+1,7) 3.1

Линоленовая 11.4 9.7 (-1.7) 10.1 (-1.3) •1.2

новой кислоты, под влиянием селена повышало качество рапсового масла.

В 1997 году в агрофирме "Кристалл-СТ" была успешно апробирована технология получения овощной продукции, обогащенной селеном. Производственный цикл агрофирмы основан на проточном тонкослойном методе выращивания растений в тепличных условиях. Для обогащения салата сорта "Московский" селеном в питательный раствор (200 л) добавляли бисе-ленит натрия и уже сформировавшиеся растения доращивали 7 суток до уборки. Испольаоваяные концентрации селена не влияли на урожай салатд и содержание сухого вещества (табл. 8). Напротив, концентрации селена в листьях саЛата резко р;\зличались. На контрольном варианте содержание селена составляло всего 76 мкг/кг сухой массы, приблизительно на порядок оно возросло при добавлении 100 мг Зо/л и до 3 мг/кг при наибольшей концентрации сулона. Количество Зе в питательном растворе при

выращивании салата существенно не изменялось: в контрольном варианте и при меньшей дозе обнаружены практически исходная концентрации, а при большей дозе - наблюдалось снижение с 1016 до 850-880 мкг Зе/л, При использовании 200 л раствора (1 установка производственного цикла для выращивания 100 растений) урожай салата составляет около 50 кг сырой массы (около 4 кг сухой массы). Приблизительный баланс селена в

Таблица 8

Накопление биомассы и содержание Зе в растениях салата и в питательном растворе. Проточная культура. Производственный опыт.

Показатель Норма селена, мкг Зе/л

0 100 1000

Масса 1 растения, г сырая 47,5+2,5 51,4+3,0 50,4+5,1 4,0+0,4

воздушно-сухая 3,7+0,2 3,7+0,2

Содержание Зе в растениях, мкг/кг 76+15 747+65 3110+195 1

растворе, мкг/л 15+3 106+21 850+57

системе питательный раствор - растение показал, что селен практически не теряется на контроле и при дозе 100 мкг Зе/л. Более того, есть основания предполагать, что в этих случаях растения могли использовать Зе из воздушного пула. При большей концентрации биселонита потери Зе (по-видимому, в результате улетучивания) составляли около 152.

Интерес к взаимосвязи селена и кобальта в метаболизме растений вызван доказанной к настоящему времени причастности витамина В12 (содержащего кобальт) к биосинтезу метионина - аминокислоты, содержащей серу - химический аналог селена (Арешкина и др., 1961) и совпадением биогеохимических зон кобальтовой и селеновой недостаточности (Ермаков, Ковальский, 1974, Ковальский, 1985, Конова, 1993). Кроме того, приведенные выше немногочисленные данные (для зерна пшеницы, выращенной на выщелоченных черноземах) показывают возможное антагонистическое действие кобальта на поступление селена в растения.

Эти вопросы изучали в вегетационных экспериментах. Опытная почва - дерново-подзолистая, тяжелый суглинок, культура - салат. Взятые для опытов дозы как селена, так и кобальта, практически не изменяли уро-

жай надземной массы салата (табл. 9), в то время как удобрение бисе-деиитом натрия независимо от уровня обеспеченности кобальтом приводило к резкому увеличении содержания солона в растениях салата - в 5,6-6,5 раза при дозе 250 и в 9,8-10,3 раза при внесении 1000 мкг йе/кг почвы. В блоке вариантов с нативиьш содержанием Зе в почве и при меньшей его дозе внесение кобальта практически не влияло на кок-цонтрацию селена в салат о. ГГри большей дозе селена кобальт достоверно (на 93-100 мкг/кг) снижал поступление-Бе в надземную массу салата,

Таблица 9

Урожай сухой массы салата и содержание селена в растениях

Доза Со мг/кг почвы Урожай, г/сосуд Содержание Se, мкг/кг

Доза Se, мкг/кг почвы

0 250 1000 НСРоь 0 250 1000 НСР05

0 1 2 16,7 16,0 15,0 17,5 17,3 16,й 16,9 16,6 16,0 2,2 78 66 70 439 400 457 783 683 690 85

концентраций взаимодействие Se-Co носило антагонистический характер.

В модельных биотехнологических опытах по изучению влияния селена и кобальта на прорастание семян и формирование проростков салата в условиях in vitro, морфогенетические реакции апексов и дифференциацию адвентивных почек в культуре изолированных апексов установлено, что дифференциация адвентивных почек (в 88-1002 случаев), зависела от добавленных в питательную среду селена и кобальта, их концентраций и сочетаний. Таг положительное влияние на образование адвентивных почек оказывали селен в концентрации 0,01 мг/л и кобальт в концентрации 0,05 мг/л, где образовывалось в среднем на один оксплантант 5,4 и 5,5 шт. ночек de novo соответственно при 4,7 шт. на контроле. В присутствие селена и кобальта отмечено образование почек в среднем 4,2-5,7 шт. на 1 апекс, причем, сочетание солей селена 0,01 мг/л и кобальта 0,1 мг/л на 100% вызывало , формирование мериотематичсских очагов, среднее число которых на один экоплантант наибольшим по сравнению с другими вариантами и составляло 5,7 шт. Повышение концентрации Se до 0,1 мг/л, приводило к резкому снижению образования адвентивных почек.

Выявление особенностей взаимосвязи селена с другими эссенциаль-ными микроэлементами, в частности, с цинком в настоящее время не менее актуально (Фокс, Джекобе, 1Р93). В приведенной ниже серии вегетационных опытов изучали накопление селена растениями пшеницу и рапса при разных уровнях обеспечения макро- (ИРКУ) и микроэлементами (Ее, 7п, Мо). Опытная почва - серая лесная, содержание селена 250 мкг/кг). Данные опытов с яровой пшеницей свидетельствуют о существенном увеличении урожая только при повышении урошю питания макроэлементами, в то время как содержание солена в зерне определялось, главным образом, уровнем обеспечения растений этим элементом (табл. 10). В блоке контрольных вариантов (без селена) количество накапливаемого зерном селена по годам сильно различалось. Так, наиболее интенсивно селен накапливался в зерне пшеницы в 1994 г. (135-318 мкг/кг), тогда как для 1996- 1997 гг. концентрация его в зерне редко превышала 150 мкг/кг. Очевидно, это связано с влажными и холодными, не способствующими уле-

Таблица 10

Содержание селена в зерне пшеницы, мкг/кг. Вегетационные опыты.

До-

Доза

селена,

МЮ'/КГ

оа гп, МГ КГ 0 1000 2500 ]

1994 1995 1996 ср. 1994 1995 1996 ср. 1994 1995 1996 Ср.

Без макроудобрений

о 10 50 280 285 318 103 128 148 171 125 169 185 179 212 1071 1349 1408 953 1186 1106 1091 1205 1192 1030 1247 1235 2241 2156 2363 2968 2659 2656 2280 2348 2579 2486 2388 2533

На фоне макроудобрений по 180 мг НРК на кг почвы

0 10 50 135 186 163 102 88 149 142 106 97 120 127 136 1049 1096 1133 1102 1170 1333 1008 1026 1057 1053 1097 1174 1761 2040 2051 2905 2892 2914 2089 2082 1889 2252 2338 2285

На фоне макроудобрений по 360 иг НРК на кг почвы

0 10 50 146 153 164 85 91 140 105 97 85 112 114 130 876 736 890 590 636 723 820 764 796 762 712 803 1547 1871 1584 1549 1796 1865 1659 1969 1798 1585 1079 1749

НСРоб 22 27 25 89 91 79 - 121 219 138 -

тучиванию селена из почвы условиями 1994 г., особенно в начале вегетации. В вариантах на фоне Se разница в накоплении Se растениями по годам нивелировалась, а значения сто содержания в зерне резко повышались: в среднем за 3 года с 112-212 мкг/кг (на контроле) до 712-1247 и до 1585-2456 мкг/кг при дозах 1000 и 2500 мкг Se/кг (табл. 10).

Внесение NPK в большинстве вариантов приводило к последовательному снижению содержания селена в зерне пшеницы, в среднем за 3 года в 1,4-1,6 раз под влиянием 1 дозы макроудобрений и в 1,6-1,7 раз -при двойной дозе NPK. При дозах 1000 и 2500 мкг Se биологическое разбавление селена в зерне (в 1,4-1,8 и в 1,3-1,6 раз, соответственно) наблюдалось только от двойной дозы макроудобрений. Сопоставление биомассы зерна пшеницы с концентрациями селена показало их тесную связь (г -0,41-0,95). Это свидетельствует о том, что внесение NPK немаловажно для накопления Se в товарной части продукции.

Добавление хлорида цинка в почву в дозах 10-50 мг Zn/кг приводило, как правило, к повышению содержания селена в зерне пшеницы (табл. 10). Это наблюдение, свидетельствующее о возможном спнергтеской влиянии цинка на поступление селена в зерно пшеницы противоречит имею-вдшея в литературе, хотя и весьма фрагментарным данным об антагонизме Zn и Se (Кабата-Иекдиас, Лендиас, 1989). Напротив, содержание цинка в зерно пшеницы незначительно изменялось по вариантам.

В другом вегетационном опыте изучали влияние молибдена и серы на накопление селена растениями рапса на фоне NPK (но 360 мг/кг). В семенах рапса этого опыта на бесселеновом контроле накапливалось 319 мкг Se/кг. Применение биселенита натрия в дозе 1000 мг Se/кг в 3,7 раз увеличивало содержание солона в семенах (табл. 11). Сера, внесенная без молибдена, не оказывала существенного влияния на содержание селена в семенах рапса: без NaHSeOa его количество оставалось приблизительно на одном уровне - 30 7-319 мкг/кг, а под влиянием биселенита - снизилось с 1180 до 876 мкг/кг. Действие молибдена на содержание селена в семенах рапса зависело от удобрения серой. В отсутствие серы применение молибдага аммония в 3,0 и в 2,1 раз снижало исступление Se в семена (без селена и с биселенитом натрия, соответственно). Возможно это связано с иягибирующим действием Мо на микробиологическую трансформацию солона в летучие метилированные формы (Karlson, Franken-

Таблица И

Содержание Se и Mo в семенах рапса, мкг/кг. Без Mo / 0,5 мг Мо/кг. Вегетационный опыт. НСР05 Se - 55 мкг/кг, Mo - 17 мкг/кг.

Доза So, мкг/кг Без серы На фоне серн - 100 мг S на кг

Se Mo Se Mo

0 1000 319 / 106 1180 / 576 43 / 260 32/260 307 / 331 876 / 1157 40 / 130 36/43

berger, 1988), активно поглощаемые растениями (Zieve, Peterson, 1985). В противоположность этому на фойе ссрн содержание селена в семенах под влиянием внесенного молибденовокислого аммония снижалось до 1,3 раза.

Молибден в семенах рапса, не удобренного этим элементом, накапливался в количествах 32 13 мкг/кг (табл. It). Сера практически не влияла на концентрацию молибдена в семенах; селен слабо снижал содержание молибдена как на фоне серы, так и без нее. При удобрении молибденом бев серы, содержание Mo в семенах рапса увеличивалось до 260 мкг/кг и не. зависело от присутствия NailSe03. Внесение серы привело к 2-х кратному снижению поступления Mo в семена (до 130 мкг/кг) в варианте без внесения селена и к 6-и кратному (до 43 мкг/кг) - при удобрении селеном. Полученные данные подтверждают гипотезу об антагонизме серы и молибдена в растениях (Казачков, Котик, 1985, Forbes et. al., 1986, Karamàndos et. al., 1989) и показывают, что внесение в почву биселенита натрия в значительной мере может усугублять этот антагонизм.

Общее содержание масла в семенах рапса в данном опыте зависело, прежде всего, от уровня обеспеченности серой, присутствие которой обеспечило увеличение содержания масла на 1,5-7,3%. Другим фактором, повышающим концентрацию жира в семенах оказалось присутствие селена, особенно на фоне серы: в этих вариантах было получено наибольшее количество - более 45% масла. Последнее еще раз подчеркивает сложность взаимовлияния серы и селена, выступающих б данном случае как синер-гисты.

3. НАКОПЛЕНИЕ ЛИТИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕШЬШ КУЛЬТУРАМ!. ПОСТУПЛЕНИЕ

II В РАСТЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ИХ И, 7п И ИРК.

Концентрации лития в сельскохозяйственных растениях уже ранее обсуждались (табл. 1) и было показало, что вариабельность этого элемента в значительной степени определяется видом растения. Сравнение концентраций лития и цинка в продукции растениеводства ОПХ "Белгородское" показало существенную обратную взаимосвязь между этими элементами (г -0,67-0,(31). Отношение 2п/И колебалось в широких пределах также в зависимости от культуры: озимая пшеница, зерно - 98-128; ячмень, зерно - 142-195; кукуруза, зерно - 24-36; горох, зерно - 34-43; люцерна, зеленая масса - 16-20 и сахарная свокла, корнеплоды - 8-9.

Для ряда природных объектов Талдомского района Московской области, в частности, для зерна озимой пшеницы и овса корреляция между содержанием лития и цинка не подтвердилась (табл. 12). Однако, для юга района - территория, прилегающая к поселку Ново-Гуслево, включая совхоз "Доброволец" оказалось характерна высокое содержание лития в почвах, водах и растениях: в пахотных почвах содержалось в 2,6-3,8, а в зерне овса - в 2,8-4,3 раз больше Ы по сравнению с другими точками отбора проб. Для образцов вод была получена такая же закономерность. Содержание цинка варьировало в узких пределах, например, для зерна овса 29-38 мг/кг. Тем не менее, повышенное содержание лития отразилось

Таблица 12

Микроэлементный состав зерна овса и пшеницы и почв Талдомского района Московской области, мг/кг, средние значения.

N Территория Объект п Ре МП гп Си СО Мо [Л

1. Ново-Гуслево овес озимая пшеница почва 8 5 13 34 31 36500 50 46 370 34 39 32 3,9 3,7 16 <0,02 <0,02 4,06 0,51 0,45 1,55 0,85 0,81 125

2. Яаиовка овес почва 7 7 30 37850 30 335 29 45 3,6 18 <0,02 3,35 0,99 1,47 0,30 44

3. Квашопки овес почва 5 5 29 38000 34 444 29 40 3,7 16 <0,02 3,66 1,79 1,50 0,20 33

4. Игумново овес почва 6 6 32 36555 42 398 31 42 3,7 14 <0,02 3,85 0,66 138 0,23 48 1

на отношении Zn/Li: если для образцов растений из Ново-Гуслево, оно не превышало 50, то для остальных проб составляло 100-150.

Данные но содержанию ряда микроэлементов в культурной и естественной флоре Талдомского района Московской области показали, что концентрации железа, марганца, цинка и меди но являются аномальными и соответствуют литературным значениям (Ковальский и др., 1971, Боровик-Романова. Белова, 1974а, 19746, Кабата-Пендиас, Пендиас, 1089).

Размеры накопления 1.1 и взаимосвязи его с другими элементами, в особенности с цинком, изучали в дальнейшем в серии вегетационных опытов. В экспериментах использовали серую лесную почву (валовый Li - 35 мг/кг, подвижный Zn - 0,8 мг/кг) и две культуры - листовой салат и яровую пшеницу. Урожайные данные опыта с салатом показали, что литий и цинк, внесенные в почву в дозах 1-5 и 5-10 мг/кг соответственно практически не изменяли накопление сырой массы растений салата. Максимальная доза лития, однако, вызывала достоверное снижение урожая сухой массы; добавление в почву 5 мг Zn/кг приводило к уменьшению урожая уже при дозе 1 мг Li/кг, а двукратное увеличение дозы цинка практически устраняло отрицательное действие лития на накопление сухого вещества салатом - урожай сухой массы колеб<ш;я в очень узких пределах 8,1-8,3 г/сосуд с математически несущественными различиями. Действие цинка на сухую массу растений салата проявилось только при большей дозе LI - 5 мг/кг и выражалось в достоверном повышении урожая на 0,5 и 1,3 г/сосуд при дозах 5 и 10 мг Zn/кг соответственно. Очевидно, что такие различия в урожайных данных по сырой и сухой массе обусловлены различной обводненностью надземной части растений салата. Приведенные наблюдения хороио согласуются с данными Власюка и Охри-ыенко (1969), согласно которым поглощение растениями Li - сильно гид-

I

ратированного иона приводит к увеличению количества свободной и связанной воды в клетках, изменяются коллоидно-химические свойства протоплазмы, повышается водоудерживающая способность внутриклеточной жидкости и, таким образом, литий повышает обводненность и, следовательно, засухоустойчивость растений.

Внесение лития и цинка в почву приводило к увеличению содержания этих элементов в надземной массе салата соответственно в 2,0-3,4 и

1,1-1,5 раэ (тайл 13). Наблюдалось снижение размеров поступления L1 в растения при внесении цинка. Так максимальная концентрация лития в растениях салата - 2,0 мг/кг была достигнута при большой дозе сульфата лития на бесцинковом фоне, а удобрение цинком в дозах 5 и 10 мг/кг снижало это значение до 1,6-1,3 мг/кг соответственно. Подобная же закономерность была отмечена для меньшей дозы лития и для вариантов, где Li не вносили. Напротив, внесение лития приводило к увеличении накопления Zn в растениях салата на 5,6-14,7 иг/кг в зависимости от доз Li и Zn, т.е. взаимосвязь лития и цинка проявлялась неоднозначно: в отношении лития со стороны цинга наблюдался антагонистический эффект, в отношении цинка со стороны лития - синергический. В экспериментах Wallace et. al. (1977) с водной культурой фасоли было показа-

Таблица 13

Содержанио 11 (в числителе) и 7л\ (в знаменателе) в надземной части салата, мг/кг сухой массы. Вегетационный опыт. НСРоз 0,22/13 мг/кг.

Доза Zn, мг/кг почвы Доза Li, мг/кг почвы

0 1 5

ОСЛО 0,60 / 40 0,49 / 44 0,43 / 56 1,28 / 44 1,00 / 46 0,85 / 60 2,04 / 46 1,64/69 1,34 / 70

но, что при высоких концентрациях лития содержание цинка в растениях снижается. Приведенные выше данные не соответствуют этим наблюдениям. Расхождения могут происходить из-за различных условий проведения опытов (водная и почвенная культуры), концентраций солей и особенностей растений (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Изменения содержания других микроэлементов по схеме опыта были аналогичными связи гп-Ы: возрастающая доза Li приводила к последовательному повышению содержания Ре, Мп и Си, а внесение 2л, наоборот, снижало их концентрации - взаимосвязи и Lí-Pe, Ы-Мп и Ь1-Си были одинаковыми.

В вегетационном опыте с яровой пшеницей урожай надземной массы и зерна повышался только под влиянием МРК. Сравнение содержания лития и цинка в зерне яровой пшеницы, выращенной на неудобренной МРК почве и на фоне макроудобрений, показало заметное биологическое разбавление

содержания этих микроэлементов в последнем случае (табл. 14). Внесение сульфата лития в почву приводило к последовательному увеличению содержания 1Л в зерне яровой пшеницы во всех вариантах - с 0,1-0,2 до 0,0-1,2 мг/кг на фоне макроудобрений и с 0,2-0,3 до 1,0 1,7 мг/кг без №К, однако, абсолютные значения накопления этого элемента зависели от обеспеченности растений цинком. Общая тенденция действия 7х\ на поступление (Л в зерно носила антагонистический характер, хотя в ряде вариантов наблюдалась обратная закономерность. В зависимости от дозы цинка содержание лития в зерне снижалось на 0,02-0,65 мг/кг, причем наиболее контрастно это проявлялось при максимальных дозах 2п и 1.1 -разницы в этих случаях по различным фонам достигали 0,45- 0,65 мг/кг.

Таблица 14

Влияние различных доз лития и цинка на содержание и и Тх\ в в сухой массе зерна яровой пшеницы, мг/кг, И/7х\. Вегетационные опыты.

Доза 7п, иг Доза лития, мг/ю 1

0 1 5 1

кг 1995 1995 ср. 1995 1996 ср. 1995 1996 ср.

Без макроудобрений

0 5 10 0,3/56 0,3/74 0,2/77 0,2/52 0,2/72 0,1/69 0,3/51 0,2/73 0,2/73 0.9/59 1,3/59 1,0/71 0,9/53 0,7/69 1.0/72 о.д/ва 1,0/54 1,0/71 1,7/55 1,4/70 1,0/75 1,7/54 1,4/69 1,1/74 1,7/54 1,4/БО 1,1/74

На фоне макроудобрений по 360 мг №К на кг почвы

0 5 10 0,2/49 0,2/66 0,1/65 0,2/47 0,1/58 0,1/62 0,2/40 0,2/52 0,1/04 0,7/52 1.0/60 0,6/68 0,7/50 0.9/54 0,6/64 0,7/51 0,9/37 О.В/Сб 1,1/51 1,2/63 0,8/69 1,0/50 1,2/60 0,7/67 1,1/50 1,2/61 0,7/ГО

НСРой 1995 - 0,3/9; 1996 - 0,2/8 мг/кг

Аналогично лития, дополнительный источник цинка способствовал увеличению накопления 2п в зерне пшеницы «¿ж на фоне макроудобрений, так и без них с 49-51 до 65-69 мг/кг и с 55 59 до 71-77 мг/кг, соответственно. Видимой тенденции влияния лития на поступление 7л в зерно пшеницы, однако, не отмечалось: колебании значений концентраций цинка носили, по-видимому, случайный характер.

4. БАНК ДАННЫХ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ПРИГОДНЫХ ОБЪЕКТОВ: КОМПЬЮТЕРНЫЙ ШДУЛЬ аххшт

Создание банка данных элементного состава природных объектов и его компьютеризация является, по сути, математическим обеспечением продолжения работы, начатой Биогеохимической лабораторией Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского (ГЕОХИ) под руководством В.В. Ковальского в 1950-1970 гг. Завершение 1 этапа сбора и систематизации информации ознаменовалось появлением монографии "Микроэлементы в растениях и кормах" (Кожишский и др., 1971).

Программный модуль ЕШШ предназначен для автоматизированной обработки результатов элементного анализа объектов исследований. Иод объектом следует понимать совокупность данных (многомерный вектор): о дат® взятия образца (дате анализа), о географическом положении места наития образца (область, район), о положении объекта в существующих классификациях (ботанической, зоологической, почвенной и т.д.). При использовании модуля ЕИХОТ преследуются две главные цели: 1- создание банка данных элементного состав природных объектов - ввод и хранение, 2- анализ информации - поиск необходимых данных по интересующему параметру или их сочетанию, выявление аномалий в содержании химических элементов в природных объектах, вычисление их соотношений.

Банк данных элементного состава природных объектов представлен в виде трех функций: ввод информации, ее просмотр и пакет справочников: территориального делении территории, почв, горных пород растений, животных и вод и т.д. При вводе данных каждому природному объекту присваивается неповторимый девятизначный номер. Количественная информация указывает на содержание химических элементов в объекте в соответствующих единицах измерения (мг/кг иди X.) и на метод анализа, возмогло примечание с указанием индивидуальных особенностей объекта.

Просмотр банка данных может осуществляться "локально" (для отдельных объектов) или "глобально" (для всего банка).

Справочник областей содержит 156 разделов, которые подразделяются на районы. Отмстим, что мы сохранили территориально-административное деление, соответствующее СССР, так как вся полученная информация датирована до 1992 г. Справочник растений состоит из справочника се-

мейств (41 раздел) и справочника видов. Названия семейств и растений даны на русском языке и по латыни. Справочник почв создан на базе "Атласа почв СССР" (Кауричсв, Громыко, 1974), включает 11 разделов почв по зонам и 69 названий почв. Справочник вод - 5 разделов.

Формирование запроса пользователя осуществляется через выделение из всей имеющейся в банке чанных информации группы объектов по следующим признакам: террриториалыюму (область, район), хронологическому (интервал между двумя датами), таксономическому, применяемому продукту и характеру его использования (для биологических объектов), химическому элементу с диапазоном содержания или соотношению с другими улемснтами (по выбору пользователя).

шюду

1. Микроэлементиый состав является важным показателем качества продукции растениеводства и лекарственных растений и определяется как природными (биогеохимическими) условиями, так и целенаправленной деятельностью человека. В отличие от большинства биофильных элементов, содержание микроэлементов, тагах как селен и литий в р,астениях можно регулировать в пределах пМО3/! при использовании микро- и макроудобрений.

2. Особенностями микроэлементного состава р.тетоний, почв и природных вод Белгородской области являются повышенное в 3-11 раз содержание кобальта и пониженное в 2-2,5 раза - меди по сравнению с имеющимися в литературе обобщенными данными. Обогащение природных объектов кобальтом обусловлено геохимическими условиями, связанными с !<МА.

3. В отдельных видах дикорастущей флоры ЦЧР наблюдаются аномалии в элегантном составе, в надаемиой массе шалфея лугового (Salvia pratensis L.) обнаружено аномально высокое содержание лития - 8-25 мг/кг; в хвое меловой сосны (Piruis sylvestris I.., vr. cretacca - реликт Белгородской области) - низкая концентрлция (Ai - 13+3 мг/кг.

4. При агроэкологическом обследовании природных объектов ряда областей Нечерноаемной зоны № устаноилено в 2-6 раа пониженное содержание селена: в среднем в почвах - менее 200 mict/кг, в водах -0,05-1,6 мкг/л, в растениях - 60-110 мкг/кг. Дефицит селена в arpo-

ландшафтах этих территорий полностью подтверждается.

¡5. Изучение толерантности растений к селену в условиях водной культуры выявило большую чувствительность к Ме корней по сравнению с надземной часть». Концентрации йе в городи Кнона, достоверно снижающие показатели роста и рад вития для пшеницы, 1*шоа, люпина, кукурузы и гороха составляли: 0,5; 2,5; 2,15; 'о,0 и >5,0 мг/л, соответственно.

6. Внесение биселенита натрии в почву (дерново- подзолистые и серые лесные) в дозах 25-2500 мкг 5е/кг в условиях вегетационных опытов пазволяот без снижения урожая и его качественных показателей получить обогащение селеном:

опощних культур на 5 16002 в зависимости от ицда растения, до-аы биселенита натрия и свойств почвы, ив опытных культур наиболее выраженным концентраторе« селена окалалея чеснок;

- кормовых культур ярового рапса (до 1000 мкг/кг ь аеленой массе и до 1180 мкг/кг в семенах) и люпина желтого (с 140 до 1500 в аеленой массе и с 150 до 3800 мкг Яг/кг в аерне). Внекорневое применение биселенита натрия (0,0005-0,002% растворы) а полевом опыте повышало содержание 3« ь аеленой массе и аерне люпина в 4-8 раз;

- зерна яровой пшеницы с 100-200 на контроле до 700-1300 и 1600-2500 мкг/кг при внесении 1000 и 2500 мкг Бе/кг, соответсъенно.

7. Разработана, успешно апробирована и внедрена в производство технология получения салата, обогащенного селеном до 760-3100 мкг Яе/кг сухой массы в тонкослойной проточной культуре.

В. Обнаружены особенности влияния других биофильных элементов на поступление селена и лития и растения:

- усиление ааотно-фосфорно-калийного питания приводило к последовательному снижению содержания Бе и и - до 2 кратного уменьшения для аерна яровой пшеницы и до 6 кратного - для семян рапса;

- установлена обратная аависимостъ (г 0,97) между содержанием Эе и Со в аерне озимой пшеницы. Внесение кобальта в дозе 2 мг/кг в условиях вегетационного опита снижало содержание селена в надземной массе салата при высоком уровне обеспеченности растений селеном;

- под влиянием '¿п независимо от дозы №К содержания Бе в зерне пшеницы и в семенах рапса возрастало на 5-202;

- действие молибдена на содержание селена в семенах рапса вам-

село от применения серн: внесение молибдата аммония в 2-3 раза снижало поступление Se в семена, селен и молибден оказались антагонистами; на фоне серы, тгблюдалась противоположная тенденция.

9. В модельных опытах селей и кобальт в концентрациях 0,01 и 0,05 мг/л питательной среды, соответственно, оказывали стимулирующее действие на процесс заложения адвентивных почек растений салата, причем, их сочетание не уменьшало способность апикальных частей проростков образовывать почки de novo.

10. Установлена существенная обратная взаимосвязь (г -0,7-0,8) для концентраций лития и цинка в культурных растениях. Отношение концентраций 7.n/Li в сельскохозяйственных растениях подвержено изменениям в широких пределах (8-195), снижаясь по мере увеличения литиефи. ь-ности от зерновых культур к сахарной свекле.

11. При биогеохимическом обследовании Московской облжтч в южной части Талдомского района обнаружена биогеохимическая провинция с повышенным в 2-5 раз содержанием лития в растениях, почвах и водах.

12. Внесение лития в почву в дозах 1-5 мг Li/кг приводит без снижения урожая к увеличению содержания этого элемента в надземной части салата и в зерне пшеницы, соответственно, с 0,6 до 2,0 и с 0,2 до 1,7 мг/кг. Внесение цинка снижает размеры поступления LI в растения и, напротив, внесение лития усиливает накопление 7,п надземной часть» салата и зерном пшеницы.

13. Создзн уникальный компьютерный банк данных элементного состава природных объектов [Ч> (СХХР), позволяющий осуществлять ввод - вывод, хранение, больших объемов информации, поиск необходимых данных по объектам, пространственным и временным параметрам, по границам колебаний содержания химических элементов и вычислять их соотношения.

Стжси работ, опубликованию по материалам диссертации.

1. Ягодин В.Д., Торшин С.П., Кокурин Н.Л., Сан идов Н.А. Вариабельность микроэлементного состава зерна основных злаковых культур и факторы, ее определяющие//Агрохимип. 1989. N3. С.125-135.

2. Торшин С.П., Удельнон.ч Т.М., Ягодин В.Л. Микроэлементы, экология и здоровье человека// Усп. совр .биологии. КМЮ. Т.109. Вып. 2.

С.279-292.

3. Ягодин Б. А., Торшин С. II., Кокурин II.Л., Савидов H.A. Вариабельность микроэлементного состава семян основных зернобобовых культур и факторы, ее определяющие//Агрохимия. 1990. N3. С. 126-139.

4. Ягодин Б.А., Торшин С.П. О воаимосвяэи биогеохимического районирования и и агроэкологичеасой классификации культурных растений Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве и медицине. XI Всесоюзная конференция, 1990, Самарканд, СамГУ.т.1,с.102-105.

Ь. Забродина И.Ю., Торшин С.П., Саиидов H.A., Ягодин Б.А. Влияние микроэлементов на жирнокислотшдй состаа рапса//Там же. С.285-286.

6. Папонов И.А., Торшин С.П., Ягодин Б.А. Оптимизация микроэлементного питания томата// Там же. С. 212-214.

7. Кокурин Н.Л., Торшин С.П. Ре,акция различных сортов яровой пшеницы на внесение возрастающих доз меди// Микроэлементы в биологии и их применение в сельском хозяйстве и медицине. XI Всесоюзная конференция, 1900, Самарканд, СамГУ, т. 2, с. 35-36.

8. Ягодин В.А., Торшин С.П., Удельнова T.U. Значение микроэлементов в системе рационального природопольвования // Биологические науки, 1990, N9, С. 7-26.

9. Yag-odin в.A., Zabrodina I.Yu., Kokurin N.I.. Influence of mic-ronutrient application on fatty acid content and element composition of rape seeiis//Proc.Pmjab Agr.Univ.Ludhiana. 1992. V.34.N3. Р.47-Б1.

10. Ягодин Б.А., Торшин С.П., Удельнова Т.М., Кокурин Н.Л., Забродина И.Ю. Вариабельность ыккроэлементного состава семян основных масличных культур //Агрохимия. 1992. N3. С.85-93.

11. ЯгодинБ.А., Удельнова Т.М., Торшин С.П., Забродина И.Ю., Кокурин Н.Л., Громадин A.B. Содержание селена в растениях укропа и редиса при различных дозах селенита натрия//Изв.ТСХА.1992.Вып. 3. С.54.

12. Ягодин Б.А. Торшин С.П. Забродина И.Ю. Самоуничтожение? Возможно// Свет (Природа и человек). 1992. N10-11. С. 15-17.

13. Ягодин Б.А. Крылов Е.А. Ермолаев A.A. Чумаченко И.Н. Шафронов О.Д. Потапенко В.Н. Собачюш A.A. Торгаин С.П. Методические указания по предпосевной обработке семян удобрениями микроэлементсодеркащими пленкообразующими "МиБАС"// М: МСХ РФ, 1994. 32 с.

14. Торшин С.Н., Забродина И.Ю. Микроэлементы в сбалансированной

питании растений, животных и человека. Научно-практическая конференция// Агрохимия. 1094. N1. С. 121-123.

15. ТоршинС.П., Ягодин Б.А., Удельнова Т.М., Забродина И.Ю. Накопление селена овощными культурами и яровым рапсом при удобрении селеном // Агрохимия. 1995. N9. С. 40-47.

16. Торшин С.П., Удельнова Т.М. Забродина И.Ю. Ягодин В.А. Возможность получения овощных культур, обогащенных селеном в контролируемых условиях среды// Тез. докл. науч. конф."Зколого-агрохимические, технологические аспекты развития земледелия среднего Поволжья и Урала". Казань: изд. Казанского университета, 1995. С. 75-76.

17. Дудецкий A.A. Ягодин В.А. Торшин С.П. Чувствительность различных растений к селену в условиях водной культуры//Там же. C.51-F3.

18. Ягодин В.А., Торшин С.II. Агрогеохимия Центрального Черноземного Региона России на примере Белгородской области// Там же С.46-48.

19. Папонов H.A., Ягодин Б.А., Торшин С.П. Влияние периодического питания на рост и развитие растений томата//Тр.Пермского СХИ.1992.С.9.

20. ТоршинС.П., Забродииа И.Ю. Удельнова Т.М. Ягодин Б. А. Возможность получения обогащенных селеном редиса и укропа в контролируемых условиях среды Тез.док.Мелд. конф."Экология и экологическое образование" Алма-Ата, 1993, С. 23-24.

21. Ягодин В.А., Торшин С.II. Агрогеохимия Центрального Черноземного Региона России (Белгородская область) Там же, С. 7-8.

22. Торшин С.П., Забродина И.Ю. Микроэлементы в природных объектах Центрального Черноземного Региона России (на примере Белгородасой области) Тез.док.Научно-практ. конф."Микроэлементы в сбалансированном питании растений животных и человека",Нижний Новгород, 1993, С.13-14.

23. Кокурин Н.Л. Торшин с.П. Микроэлемснтный состав сельскохозяйственной продукции и возможности его регулирования// Там же. С.11.

24. Торшин С.П., Забродина И.Ю. Удельнова Т.М. Конова Н.й. Чивку-нова O.E. Громадин A.B. Ягодин В.А. Накопление селена в растениях •ярового рапса и химический состав семян при удобрении селеиитом натрия// Известия ТСХА. 1994. Н 1. С. 107-111.

25. Торшин С.П., Ягодин H.A. Удельнова Т.М. Кокурин Н.Л. Забродина И.Ю. Микроэлементы в растениях Центрального Черноземного региона// Агрохимия. 1996. N 1. С. 20-30.

26. Торшин 0.11., Ягодин 1!.Л. , KüMuua II.И., 3;Юродина И.Ю).. Машкова Т.Е. Солон в депонирующих средах Нечерноземной зоны европейской части России и агрохимический метод коррекции дефицита селена// Экологии. 1996. N4. 0.263-858.

27. Дудецкий A.A., Ягодин К.А., Торшип С.If. Рост и развитие некоторых зерновых и бобовых культур при различных концентрациях биселе-нита натрия.// Известия ГСХА. КШ. вып. 2. С. 21-28.

28. Торшин СЛ., Ягодин H.A., Удельнова Т.М. , Голубкина H.A., Ду-дешеий A.A. Влияние микроэлементов Sa, /л, Мо при разной обеспеченности почвы макроэлементами и серой на содержание Se в растениях яровых пшеницу и раяса // Агрохимия 1996. N5. С. 54-64.

29. Торшин С.П., Удолмгава Т.М., Ягодин Б.А. Биогеохимия и агрохимия селена и методы устранения оеленодефицита в пищевых продуктах и кормах // Агрохимия 1996. N8,9. С. 128-145.

30. Торшип С. П., Уделыюва Т.М., Голубкина H.A., Ягодин Б. А. Агрохимический метод обогащения овощной продукции селеном // Современный достижения биотехнологии. Тез. докл. на Всероссийской конференции, Ставрополь, РАН ГФ, СГСХА, 1996, С. 13-14.

31. Торшин С.П., Удолыюва Т.М., Голубкина H.A. Обогащение селено« зерна паеницы, выращиваемой на серой лесной почве//Там же, С.16.

32. Торшин с. 11., Ягодин К. А., Клинский Г.Д., Гончару к Е. А., Калашникова Е.А., Удельнова Т.М. Влияние селена и кобальта на элементный ооитав, прорастание семан и формирование проростков растений салата'/ Агрохимия. 1997. К 1. С. 36-42.

33. Торшин С.П., Удельнова Т.М., Кокурин Н.Л., Забродина И.Ю., Громадин A.B. Микроэлементный состав флоры заповедников Центрального Черноземного региона России// Экология. 1S97. N 1. С. 7-10.

34. Ягодин Б.А., Торшин С.П. Элементный состав растений в методике агрохимических и агроэкологичееких исследований//Совершенствование методики агрохимических исследований М.: МГУ, 1997. С.

35. TorshinS. P., Udelnova Т.М., Konova N. I., Zabrodina I.Yu., Mashkova Т.Е., Yagodin B.A.//Selenium In depoüiled media of the nonc-hernozem '¿one of tho European part of Russia and an agrochemical method for correction of seien Im deficiency Soil and Fertilisers. 1997. Vol. CO. Ho. 4. P. 416.

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Торшин, Сергей Порфирьевич, Москва

Министерство сельского хозяйства РФ

Московская ордена Ленина и ордена Трудового Красного знамени сельскохозяйственная академия им, К.А. Тимирязева

На правах рукописи ТОРШИН Сергей Порфирьевич

ВЛИЯНИЕ

ЕСТЕСТВЕННЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА

ециальности 03.00.16 - экология -иДЦ>.01.04 - агрохимия)

I

4

Яс <г, *

ртация

степени доктора биологических наук

с // на соискание у

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................5

0Е30Р ЛИТЕРАТУРЫ...........................................9

1. ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ МИКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА РАСТЕНИЙ ... 9 1.1. Содержание микроэлементов в семенах основных

культурных растений..........................................9

1.2. Факторы, определяющие вариабельность микроэлементного состава культурных растений...........

1.2.1. Влияние генетических и возрастных факторов на микроэлементный состав генеративных органов культурных растений...........................

1.2.2. Влияние экологических факторов на микроэлеме-

нтный состав растений...................................26

2. АГРОГЕОХИМИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ.........................................37

3. БИОГЕОХИМИЯ И АГРОХИМИЯ СЕЛЕНА И МЕТОДЫ УСТРАНЕНИЯ СЕЛЕНОДЕФИЦИТА В ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ И КОРМАХ,...............53

3.1. Селен в породах, почвах и водах................................55

3.2. Селен в растениях.................................58

3.3. Физиология и биохимия селена растений....................66

3.4. Потребность животных организмов в селене и патологии, вызываемые его недостатком.....................68

3.5. Способы коррекции селенодефицита...........................71

3.6. Использование селеновых удобрений для устранения селенодефицита в пище и кормах..........................76

3.7. Взаимосвязь селена с другими элементами____.... 83

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ................................ 88

4. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ

ПОЛОЖЕНИЯ........................................... 88

5. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................90

6. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В РАСТЕНИЯХ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЧЕРНОЗЕМНОГО

РЕГИОНА РОССИИ (ЦЧР)................................ 103

6.1. Микроэлементы в культурных растениях ЦЧР на примере Белгородской области................... 103

6.2. Микроэлементы в дикорастущих растениях ЦЧР..... 114

6.3. Микроэлементы в почвах ЦЧР..................... 131

6.4. Элементный состав поверхностных вод Белгородской области и заповедников ЦЧР................. 133

7. СЕЛЕН В ДЕПОНИРУЮЩИХ СРЕДАХ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ И КОРРЕКЦИЯ ДЕФИЦИТА СЕЛЕНА В

ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА........................... 140

7.1. Биогеохимия и агрогеохимия селена Нечерноземной зоны России.................................... 140

7.2. Влияние различных концентраций селена на рост и развитие ряда сельскохозяйственных растений (опыты с водной культурой)...........................147

.3. Накопление селена овощными и кормовыми культу-

рами при удобрении селеном..................... 155

7.4. Влияние селена и кобальта На элементный состав растений салата и на показатели прорастания

семян и формирования проростков.

178

7.4.1. Накопление селена и кобальта надземной массой салата при различном уровне обеспеченности растений этими элементами.................... 179

7.4.2. Влияние селена и кобальта на прорастание семян и формирование проростков салата в условиях in vitro,морфогенетические реакции апексов и дифференциацию .адвентивных почек в культуре изолированных апексов......................188

7.5. Накопление селена яровой пшеницей и яровым рапсом при удобрении селеном, цинком, молибденом и серой.......................................... "194

8. НАКОПЛЕНИЕ ЛИТИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫМИ КУЛЬТУРАМИ.

ПОСТУПЛЕНИЕ Li В РАСТЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ИХ ЛИТИЕМ, ЦИНКОМ И МАКРОЭЛЕМЕНТАМИ........ 215

9. БАНК ДАННЫХ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ:

КОМПЬЮТЕРНЫЙ МОДУЛЬ ELCONT.......................... 236

9.1. Общие сведения и хронология разработки'геоинформационной и экспертно-моделирующей системы для оценки параметров экологического нормиро-

9.2. Описание программного модуля ELCONT........... 237

9.2.1. Формирование запроса пользователя----....... 239

9.2.2. Режимы работы программы...........................241

ВЫВОДЫ................................................. 246

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................... 250

ПРИЛОЖЕНИЯ.. ........................................... 294

ВВЕДЕНИЕ

Современные достижения естественных наук позволили вскрыть большой пласт как теоретических, так и чисто практических проблем, связанных с элементным составом живой и неживой природы. Эти проблемы концентрируются вокруг одной главной - всестороннее изучение значения химических элементов во всех звеньях пищевой биогеохимической цепи, миграции их в системе "горные породы-почвы-воды-растения-животные- человек'*. Установлено, что неадекватное нормальному поступление биофильных (эссенциальных) микроэлементов в живой организм, избыточное поступление элементов-ксенобиотиков, а равно как аномальное соотношение между химическими элементами в его питании ведет к нарушению функций, необратимым физиологическим изменениям в организме и даже его гибели ( Вернадский, 1934, Виноградов, 1938, Underwood, 1971, Ковальский, 1974, Bowen, 1979, Перель-ман, 1982, Фокин, 1985, Mertz, 1986, Минеев, 1988, Ягодин и др., 1990, Авцын и др., 1991). В связи о этим изучение микроэлементного питания растений, животных и человека, разработку приемов его регулирования в настоящее время трудно переоценить.

Открытие В.И.Вернадским (1926, 1934) биогеохимических функций живого вещества дало импульс широкому исследованию минерального состава растений и животных. Была определена зависимость степени концентрирования организмом химического элемента от его содержания в окружающей среде и обнаружен ряд территорий, характеризующихся аномально высокими или низкими уровнями того или иного микроэлемента в природных объектах. В дальнейшем на таких территориях, названных в зависимости от их размера биогеохимическими провинциями, субрегионами и регионами были выявлены как специфические забо-

левания растений, животных и человека, так и возникающие на фоне микроэлементозов заболевания другой этиологии. В России находятся большие по протяженности площади с недостатком Зе, Со, I, Р, Си , 7п. Реже и более локально наблюдается естественный избыток микроэлементов. Следует отметить, что всесторонние биогеохимические обследования в России редко охватывали пахотные земли. В то же время сельскохозяйственное землепользование приводит к значительным изменениям в микроэлементном составе почв, к обеднению, а иногда и обогащению (Си, 1п, Со, РЬ) некоторыми микроэлементами или их доступными формами, нарушению соотношений микроэлементов.

На современном этапе развития биосферы предмет классической агрохимии дополняется новым содержанием. Это объясняется появлением отличающихся от прежних требований к ведению сельского хозяйства использованием нетрадиционных видов удобрений (разнообразные промышленные шлаки, бесподстилочный навоз, сапропели, осадки сточных вод и т.д.), усилением антропогенного загрязнения агроэкосис-тем. Круг задач агрохимии постепенно расширяется в сторону разработки основ правильного применения удобрений в различных регионах страны с учетом наряду со свойствами почв и возделываемых растений, количества осадков и ассортимента удобрений еще и конкретной экологической и биогеохимической обстановки.

За последние годы в литературе появился новый термин "агроге-охимия" (Еашкин, 1982, 1987, 1988, Лапо, Никитин, 1988, Ягодин, 1989), обозначающий науку, предметом изучения которой является взаимодействие уже не только растения, почвы и удобрения, но и учет геохимических свойств с естественной средой, возможностей патогенных изменений у растительных и животных организмов, заболевания человека. Объекты изучения агрогеохимии - потоки химических

элементов в агроэкосистемах и агроландшафтах и возможности их регулирования. В настоящее время, однако, в достаточном объеме практически не проводится работа по выявлению причинно-следственных взаимосвязей элементного состава сельскохозяйственных растений и окружающей среды в условиях биогеохимических провинций и по рациональному использованию биогеофонда страны.

По мере того как накапливаются факты отрицательного и положительного действия ряда химических элементов на растительный, животный мир и человека, все острее встает вопрос о необходимости перехода к научно обоснованному подбору элементов питания с желаемой направленностью их влияния на биологическую и пищевую ценность растительных продуктов. Растения находятся в начале биогеохимической пищевой цепи и контроль за содержанием химических элементов в растительной продукции, возможность его регулирования, изучение зависимости состояния здоровья и болезней человека, животных, растений от биогеохимических условий среды - важнейшая задача. В связи с возрастающими масштабами загрязнения почв и, как следствие, продукции растительного и животного происхождения тяжелыми металлами (СсЗ, РЬ, Н^, Си, 1п и др.) очень актуальны исследования по изучению условий поступления их в растения, определение реальных размеров накопления этих элементов в растениях.

Вышеизложенное свидетельствует о том, что поэтапная разработка основ агрогеохимии может иметь большое применение как для рационального природопользования, так и для природоохранных мероприятий России, включая охрану генофонда (в том числе и человеческого) страны.

тк тк тк

Автор выражает глубокую сердечную признательность тем, кто на протяжении по крайней мере 10 лет так или иначе принимал участие в настоящей работе. Особую благодарность я приношу моему научному консультанту, академику РАСХН, заведующему кафедрой агрономической и биологической химии ТСХА, доктору биологических наук, профессору, Заслуженному деятелю науки России Борису Алексеевичу Ягодину, без постоянного участия и заботы которого работа вряд ли бы состоялась. Я рад случаю тепло поблагодарить моих коллег, с которыми мне посчастливилось работать последние годы, их помощь в научных исследованиях и обсуждении результатов оказалась неоценимой - это старшие научные сотрудники, кандидаты биологических наук Ирина Юрьевна Забродина, Татьяна Михайловна Удельнова, Николай Леонидович Кокурин» Николай Александрович Савидов, директор дендропарка ТСХА Анатолий Викторович Громадин, заведующий кафедрой применения изотопов и радиации в сельском хозяйстве ТСХА, доктор биологических наук, профессор Алексей Дмитриевич Фокин, инженер кафедры агрохимии ТСХА Игорь Петрович Никитин; старший научный сотрудник Института питания АМН РАН, кандидат химических наук Надежда Александровна Голубкина, аспиранты: A.A.Поляков» А.А.Дудецкнй» Т.Е.Машкова, А.В.Лобиков, старший научный сотрудник, кандидат биологических наук С.М.Саблина, младший научный сотрудник, кандидат биологических наук И.А.Папонов, преподаватели кафедры агрохимии ТСХА, сотрудники лаборатории микроэлементов ТСХА, студенты-дипломники и многие другие.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ МЙКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА РАСТЕНИЙ

Данные о химическом составе биосферы являются предметом постоянного внимания биогеохимикоЕ, агрохимиков, животноводов, медиков. Необходимость знания отклонений в составе среды обитания, продуктов питания вызвана в значительной степени практическими интересами: выявлением причин снижения продуктивности и качества сельскохозяйственных культур и животных, поддержанием здоровья человека в условиях дефицита, избытка или дисбаланса химических элементов ( Ковальский, 1974, Зско1гас, 1984, Мег1г, 1986 Минеев, 1988, Торшин и др., 1990, Ягодин и др., 1990, Авцын и др., 1991). В частности данные по элементному составу культурных растений представляют важную информацию, которая включает; 1 - данные о сбалансированности по микроэлементному составу (пищевой ценности) продукции растениеводства; 2 - основу для диагностики макро- и микроэлементного питания сельскохозяйственных культур с целью получения высоких урожаев и 3 - контроль за концентрацией элементов-ксенобиотиков в съедобной части растений.

1.1. Содержание микроэлементов в семенах основных культурных растений

В настоящее время в связи с развитием и внедрением в сельскохозяйственную практику интенсивных технологий, комплексного применения средств химизации весьма актуален вопрос об изыскании дейс-

твенных методов управления минеральным питанием растений макро- и микроэлементами (Ягодин, 1987а, 1987Ь, Ладонин, 1990). Появление новых высокоурожайных сортов культур требует создания условий достаточного их обеспечения питательными элементами, включая и микроэлементы, разработки надежных методов диагностики питания растений, а также уточнения и расширения дифференцированных показателей для оценки качества сельскохозяйственной продукции.

Традиционно в комплексное понятие качества продукции растениеводства включаются показатели содержания питательно-ценных органических соединений - белков, жиров, углеводов, технологические свойства и в последнее время - содержание нитратов и некоторых элементов-ксенобиотиков (Беляев, 1992). Представляется целесообразным расширение показателей элементного состава продукции растениеводства с обязательным включением в контролируемые параметры содержание биофильных элементов для характеристики сбалансированности пищи и кормов по микроэлементному составу.

Цель настоящего раздела - демонстрация значительной вариабельности микроэлементного состава сельскохозяйственных культур, в частности семян культурных растений. В этой связи подчеркнем значение нетрадиционной для агрохимии микроэлементов оценке питания растений микроэлементами по содержанию их в генеративных органах (в зерне, семенах). По сравнению с листовой диагностика по семенам имеет ряд преимуществ: 1 - как правило, содержание микроэлементов в зерне выше по сравнению с листьями и стеблями ( Воигеп, 1979, Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), что облегчает аналитическую работу; 2 - информация о содержании микроэлементов в конечной продукции одновременно дает представление о сбалансированности ее по минеральному составу» а следовательно по диетической ценности

растительной пищи; 3 - в зрелых семенах вариабельность микроэлементного состава минимальна (Ильин, 1975,1985) и фаза взятия растительного образца остается вне критики; 4 - появляется возможность выявления загрязнения зерна (семян) тяжелыми металлами и другими элементами-ксенобиотиками.

Информация по элементному составу семян основных культурных растений представлена в таблицах 1-3. Для составления соответствующих таблиц использовали данные оригинальных исследований, выполненных в разных точках нашей планеты в условиях обычной сельскохозяйственной практики, при различной агротехнике, системе макро- и микроудобрений, в условиях разного климата, для семян различных сортов растений, а также обзорную информацию. Приведенные данные, однако, не следует рассматривать как достаточно полный обзор накопленного к настоящему времени фактического материала, так как они включают только издания, имеющиеся в Российской Федерации. Кроме того, не все данные многочисленных зональных, региональных и областных исследовательских станций нашей страны имеются в научной литературе, поскольку интересующая нас информация часто не является предметом публикации, а включается в отчетную документацию.

Для оценки потенциальных возможностей колебания элементного состава семян не разграничивали данные полевых и вегетационных опытов. В таблицы, однако, по возможности не включали данные по составу семян растений, полученные в условиях явного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Таблицы формировали следующим образом: из всей совокупности данных, собранных по литературным источникам, выбирали наименьшие и наибольшие значения. Интервал между этими группами цифр характеризовал границы вариабельности содержания того или иного элемента,. Средние значения концентраций

элементов в семенах составляли другую группу цифр, после статистической обработки которых получали средние значения (из средних), ошибки средних и коэффициенты вариации; в отдельной колонке давали количество работ, включенных в обобщение.

Следует отметить, что число исследований по элементному составу семян сельскохозяйственных культур зависело как от культуры, так и от элемента. Так, из злаковых культур наибольшее содержание железа обнаружено в зерне ячменя и риса - 74,8 и 58,4 мг/кг, соответственно, а наименьшее - в зерне кукурузы - 28,1 мг/кг (табл. 1). Максимальной концентрацией марганца отличается зерно овса -54,8 мг/кг, в то время как минимальной - менее 10 мг/кг - зерно кукурузы. Количества меди и цинка в зерне культурных злаков в меньшей степени зависели от вида. Средние значения концентраций этих элементов составляли 5,0-6,2 мг/кг для меди и 25,5-30,3 мг/кг для цинка. Исключение составляла кукуруза, в зерне которой меди содержалось меньше - 3,0 мг/кг