Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

К числу приоритетных направлений развития аграрной науки и научного обеспечения АПК регионов страны относятся: получение биологически чистой (органической) продукции растениеводства и возвращение в сельскохозяйственный оборот земель, загрязненных различными поллютантами. Оба эти направления взаимосвязаны. Главными антропогенными источниками химического загрязнения почв являются промышленность, транспорт и сельское хозяйство. Даже в сравнительно благополучной в экологическом отношении Тверской области объем выбросов различных загрязнителей достаточно большой. По данным Минприроды РФ в 2010 году общий выход диоксида серы по области составил 3,5 тыс.т., оксидов азота - 15,7 тыс.т. [1].Вдоль крупных автомобильных дорог обнаружено 30 - кратное превышение уровня свинца по сравнению с содержанием (20 мкг/г) в незагрязненных районах. Выявлено, что в сельском хозяйстве бесполезно теряется до 30 - 50 % всех вносимых минеральных удобрений, что загрязняет непосредственно почву и поверхностные воды биогенными элементами и балластными веществами [10].

В связи с этим актуальным является поиск культур, устойчивых к поллютантам и способных отвечать требованиям естественных фитомелиорантовтехногенно загрязненных почв. К таким культурам может быть отнесен топинамбур (Helianthustuberosus L.). Ряд авторов к числу ценных биологических и хозяйственных свойств его относят способность произрастания на почвах, загрязненных тяжелыми металлами и другими экотоксикантами, рекультивации почв, выведенных из сельскохозяйственного оборота при добыче угля, нефти, бывших карьеров, свалок и других брошенных земель [3]. Однако в Центральном регионе страны, в частности, на загрязненных дерново - подзолистых почвах Верхневолжья, подобных исследований не проводилось.

Цель наших исследований - изучить особенности формирования урожайности и качества урожая топинамбура на дерново - подзолистых почвах, искусственно загрязненных в разной степени азотной, серной кислотой, ацетатом свинца и хлористым калием; выявить устойчивость топинамбура к этим поллютантам.

Материалы и методы исследования

Исследования проводили в 2014 г. в двухфакторном опыте в вегетационных сосудах.

Для набивки сосудов использовали дерново - среднеподзолистую остаточную карбонатную глееватую почву на морене, легкосуглинистую по гранулометрическому составу, в которой содержалось: гумуса (по Тюрину) - 1,51 %, P₂O₅ - 358 и K₂O 95 мг/кг (по Кирсанову), N_лг 44,8 мг/кг (по Корнфилду), pH_сол - 4,9.

Схема опыта: Фактор А - Тип загрязнения: 1.Контроль (без загрязнения), 2.Азотная кислота - HNO₃ (ПДК = 130 мг/кг), 3.Серная кислота - H₂SO₄ (160 мг/кг), 4.Уксуснокислый свинец - Pb (CH₃COO)₂ (32 мг/кг), 5.Хлористый калий - KCl (360 мг/кг) (ПДК в соответствии с ГН 2.1.7.2041-06).

Фактор B - Интенсивность загрязнения: 1 ПДК, 3 ПДК, 9 ПДК.

Повторность в опыте - четырехкратная. Объект исследований: лучший для Нечерноземья сорт клубневого направления «Скороспелка», авторы Устименко Г.В., Усанова З.И.[9].

Внесение экотоксикантов осуществлялось два раза: ½до посадки (30 апреля), при высоте растений 30 см (24 июня). Способ внесения: полив растворенными в дистиллированной воде соединениями. Сосуды с почвой перед посадкой выровнены по массе (7 кг).Набивку сосудов провели 29, посадку - 30 апреля. В каждый сосуд высаживали по два клубня. В течении вегетации проводили поливы из расчета 400 мл воды на сосуд. Выдерживали одинаковый режим поливов. Учет урожая проведен 17 - 18 сентября.Вегетационные сосуды с растениями находились в вегетационном домике.

В опыте проводили наблюдение за ростом и развитием растений, динамикой образования побегов, листьев; определение содержания растительных пигментов в листьях в ацетоновой вытяжке на спектрофотометре «Grating 722» [8]; интенсивности фотосинтеза по количеству накопленного органического вещества путем «мокрого» сжигания высечек определенной площади, содержание углерода при этом учитывалось титрованием солью Мора [8]. Время измерения - с 9 до 12 часов.

При уборке урожая учитывали сырую массу ботвы, клубней, корней; содержание сухого вещества в ботве и клубнях [9];сырой клетчатки в клубнях [6]; суммы сахаров на рефрактометре ИРФ - 454Б. Для перевода показаний прибора в процент сахаров использовали шкалу Бриггса.

Результаты и их обсуждение

Фитотоксическое действие поллютантов может проявляться в торможении развития и роста растений [2] Нами выявлено, что топинамбур неодинаково реагирует на различные экотоксиканты и их дозы. Азотная кислота при загрязнении почвы до 3 и 9 ПДК благодаря улучшению азотного питания ускоряет развитие растений, способствует образованию бутонов и цветению. В варианте с дозой 3 ПДК бутоны на верхушке стебля появились на 3 дня, на боковых ветвях на 14 дней раньше, чем у контрольных растений, цветение началось одновременно с контролем (30.08). Повышение дозы HNO₃до 9 ПДК ускорило наступление этих фаз соответственно на 14, 14 и 11 дней. В контрольном варианте зацвело одно растение из 12-и, а при 3 и 9 ПДК - все растения. В варианте 1 ПДК HNO₃, а так же при загрязнении почвы другими поллютантами растения не вступали в фазу бутонизации. Загрязнение почвы KCl задерживало также появление всходов на 1 - 4 дня.

Важнейшим показателем реакции растений на степень загрязнения почвы и вид поллютанта является динамика роста в высоту. Исследованиями выявлено, что в первой половине вегетации до внесения второй половины дозы все поллютанты усиливали рост в высоту (таблица 1), наиболее сильно (в два раза интенсивнее контроля) - серная кислота в дозах 3 и 9 ПДК, уксусно - кислый свинец при 1 ПДК. Ряд авторов [7] также отмечает стимулирующее действие малых доз тяжелых металлов, в частности свинца. Стрессовым для топинамбура оказалось внесение с поливной водой оставшегося (1/2 дозы) количества (до 9 ПДК), HNO₃, H₂SO₄, всех доз Pb (CH₃COO)₂ и KCl, что значительно снизило суточные приросты, а при 9 ПДК H₂SO₄ и KCl рост растений прекратился, отмечалось усыхание стебля с листьями и гибель растений. Однако, при 9 ПДК KCl через 30 дней началось вторичное отрастание материнского клубня. После стресса усилился рост растений, особенно в вариантах с 9 ПДК HNO₃, 1 ПДК H₂SO₄, и 1 ПДК KCl. Все это свидетельствует о высокой жизненности топинамбура и устойчивости к кислотным дождям. К уборке наибольшей высоты достигли растения при загрязнении почвы HNO₃(всеми дозами), уровня контроля и чуть выше- 1 ПДК H₂SO₄ , 1-3 ПДК Pb (CH₃COO)₂, 1-3 ПДК KCl.

Таблица 1

Среднесуточный прирост растений топинамбура в высоту, см.

Загрязнение почвы нитратами одновременно увеличивало листообразование на главном стебле, но тормозило образование побегов. Больше, чем в контроле (5,75) образовалось побегов в варианте с 3 ПДК H₂SO₄ (6,0 шт.). Загрязнение почвы KCl в наибольшей мере тормозит прорастание почек материнского клубня и развитие побегов, особенно в дозе 9 ПДК.

Рисунок 1. Содержание хлорофиллов и каротиноидов в листьях топинамбура при загрязнении почвы поллютантами в дозе 3 ПДК: 13 августа (слева) и 13 сентября (справа).

Урожай создается в процессе фотосинтеза, важнейшими участниками которого являются зеленые пигменты: хлорофилл А и хлорофилл Б. Основная функция хлорофилла заключается в поглощении световой энергии и преобразовании ее в химическую. Каротиноиды (каротины и ксантофиллы) являются дополнительными пигментами фотосинтетического аппарата, увеличивающими его спектральный диапазон [4]. Наши исследования выявили положительное влияние экотоксикантов на содержание хлорофила и каротиноидов в листьях топинамбура (рисунок 1). Наиболее существенным оно было в вариантах с HNO₃ и Pb (CH₃COO)₂, что характеризует устойчивость топинамбура к этимполлютантам, способность на загрязненных почвах сохранять на достаточно высоком уровне фотосинтетическую деятельность растений и накопление биомассы топинамбура. Более высокой интенсивностью фотосинтеза отличались растения в варианте 3 ПДК HNO₃. Так, при определении 15.07. в период с 9 до 12 часов было накоплено ассимилянтов 3,82 мг/см²/час, что в 3 раза больше, чем в контроле (1,27 мг/см²/час).Поэтому при всех 3-х уровнях токсикациии почвы азотной кислотой увеличился урожай ботвы и клубней, в большей мере при 3 ПДК - на 42,98 г/сосуд или на 73,0 %, клубней - на 106,36 г/сосуд (на 166,9 %) (рисунок 2). При этом, общий урожай сырой биомассы (ботва+клубни) увеличился на 149,34 г/сосуд (на 121,8 %), что объясняется улучшением питания растений азотом при насыщении почвы нитратами_. При 9ПДК общий урожай был меньше, чем при 3 ПДК, на 58,17 г/сосуд (на 21,6%).На уровне контрольного варианта накоплен общий урожай сырой биомассы при 1 ПДК H₂SO₄, 3 ПДК Pb (CH₃COO)₂,1ПДК KCl. Особенно токсичным для топинамбура оказалось загрязнение почвы H₂SO₄ иKClдо 9 ПДК. При 3 ПДКH₂SO₄ урожайность в сравнении с контролем снизилась в 3,5, а при 3 ПДК KCl - в 1,4 раза.

Рисунок 2. Урожай сырой (слева), сухой (справа) фитомассы ботвы и клубней при химическом загрязнении почвы, г/сосуд

(НСР₀₅ по сырой массе: ботвы - 3,74, клубней -4,61, общей биомассы - 7,13 г/сосуд).

Рисунок 3. Масса корней топинамбура, г/сосуд.

Фитотоксическое действие высоких доз поллютантов сказывается на формировании корневой системы. Так, масса корней в вариантах 3 и 9 ПДК H₂SO₄ , 9 ПДК KCl была в 6,1 - 13,4 раз меньше, чем в контроле. Отрицательное влияние на развитие корневой системы оказало так же загрязнение почвы нитратами (HNO₃) до 9 ПДК, когда масса корней снизилась в 2,1 раза (рисунок 3).

Для топинамбура как для клубненосного растения особенно важно определить действие экотоксикантов на образование и рост клубней. Исследованиями выявлено наиболее сильное отрицательное влияние на эти процессы загрязнения почвы серной кислотой и хлористым калием, положительное - азотной кислотой. Так, при 1 ПДКH₂SO₄ и KClв среднем насчитывалось 5,75 и 5,35 клубней (шт/сосуд), в контроле - 7,0 шт., при 3 ПДК - 2,0 и 5,0, а при 9 ПДК клубни не образовались. Наоборот, загрязнение почвы нитратами увеличивало образование клубней на растении в сравнении с контролем в вариантах 1 - 3 - 9 ПДК соответственно на 2,5 - 11,75 - 7,25 шт./сосуд. Следует констатировать, что при снижении числа клубней в вариантах с 1 ПДК H₂SO₄ и KCl наблюдается увеличение крупности клубней, поэтому урожай клубней сохраняется на уровне контроля.

Действие поллютантов на качество урожая оценивали по содержанию абсолютно сухого вещества, сахаров и клетчатки (таблица 2).

Загрязнение почвы азотной кислотой (1 и 3 ПДК), уксусно - кислым свинцом (1 - 9 ПДК) не оказало отрицательного влияния на содержание абсолютно - сухого вещества и сахаров в клубнях. Напротив, количество сухого вещества увеличилось в сравнении с контролем на 0,24 - 1,8 % в вариантах с 1 и 3 ПДК H₂SO₄и на 0,4 - 2,0 % с 3 и 9 ПДК Pb(CH₃COO)₂, а сахаров соответственно на 2,0 - 2,5 и на 0,5 - 3,5 %. Снижение содержания сухого вещества и сахаров в сравнении с контролем произошло при загрязнении почвы азотной кислотой и хлористым калием. В первом случае это не связано с токсическим действием HNO₃. Известно, что при оптимальных условиях азотного питания относительное содержание углеводов (крахмала, сахаров) бывает меньше, чем при пониженном (контроль, варианты с KCl), что объясняется более высоким расходом энергии при биосинтезе азотистых соединений, которую растения получают в процессе окисления углеводов [6].

Таблица 2

Влияние загрязнения почв различными экотоксикантами на клубневую продуктивность топинамбура и качество клубней

Загрязнение почвы H₂SO₄ (1ПДК) и Pb(CH₃COO)₂(3 и 9 ПДК) существенно снижает содержание клетчатки в клубнях.

Наибольший выход абсолютно сухой фитомассы (ботва + клубни) обеспечило насыщение почвы азотной кислотой с максимумом при 3 ПДК (79,14 г/сосуд) (ботва + клубни), прибавка к контролю составила 43,03 г/сосуд или 119,2 %, а наименьший (11,5 г/сосуд) загрязнениеH₂SO₄до 3 ПДК, кроме вариантов с 9 ПДК H₂SO₄ и KCl, где растения погибли.

Лучшей направленностью продукционного процесса отличались растения в вариантах с 1 - 9 ПДК HNO₃ и 3 - 9 ПДК Pb(CH₃COO)₂, у которых коэффициент хозяйственной эффективности фотосинтеза (К_хоз) превышал контроль на 0,01 - 0,11 ед, что способствовало повышению урожая клубней относительно надземной массы.

Выводы:

1.Топинамбур отличается повышенной устойчивостью к загрязнению дерново - подзолистой почвы азотной кислотой на уровне 1 - 3 - 9 ПДК. За счет улучшения азотного питания повышается фотосинтетическая деятельность растений, он формирует урожайность выше, чем на незагрязненных почвах: сырой фитомассы на 34,6 - 121,8, сухой 30,8 - 119,2, клубней на 43,2 - 166,9 %. Топинамбур хорошо справляется со стрессовой ситуацией при поливе растений HNO₃в дозе ½от 9 ПДК.

2.Токсикация почвы всеми изучаемыми поллютантами до 3 ПДК увеличивает содержание растительных пигментов в листьях земляной груши (хлорофилла А и Б, каротиноидов), в большей мере при загрязнении HNO₃, когда их количество в сравнении с контролем возрастает к фазе цветения в 2,5 - 3,8 раза, к концу вегетации в 4,0 - 4,6 раза.

3.Повышенный фитотоксичностью отличаются серная кислота и хлористый калий. При загрязнении почвы до 1 ПДК урожайность топинамбура формируется на уровне контроля, до 3 ПДК - снижается соответственно в 3,5 и 1,4 раза. Доза в 9 ПДК является летальной, при которой растения погибают, но при 9 ПДК KClчерез 30 дней начинается вторичное отрастание материнского клубня.

4.Уксуснокислый свинец при всех уровнях загрязнения почвы менее фитотоксичен, чем азотная кислота и хлористый калий, накапливается урожай сырой, сухой фитомассы близкий к контролю, повышает содержание в клубнях сухого вещества, сахаров.

Рецензенты:

Никольский В.М., д.х.н., профессор, профессор кафедры неорганической и аналитической химии ФГБОУ ВПО Тверской Государственный Университет, г. Тверь;

Тихомирова В.Я., д.б.н., профессор, главный научный сотрудник, ФГБНУ Всероссийский научно - исследовательский институт льна, Тверская обл., г. Торжок.