Действие цинка, кадмия и свинца на продуктивность различных сортов яровой пшеницы в зависимости от уровня азотного питания при применени и регулятора роста

На правах рукописи

ЧУРСИНА

Евгения Владимировна

ДЕЙСТВИЕ ЦИНКА, КАДМИЯ И СВИНЦА НА ПРОДУКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УРОВНЯ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ РЕГУЛЯТОРА РОСТА

Специальность 06.01.04 - агрохимия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2012

Работа выполнена в ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д.Н. Прянишникова.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ

Ниловская Нина Тихоновна

Официальные оппоненты: Черных Наталья Анатольевна

доктор биологических наук, профессор, Российский университет дружбы народов, декан экологического факультета

Шаповал Ольга Александровна

доктор сельскохозяйственных наук, зав. лаб. испытаний элементов агротехнологий, агрохимикатов и регуляторов роста

Ведущее предприятие: ФГУ ВПО Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова

Защита диссертации состоится «31» мая 2012 г. в 14 часов

на заседании диссертационного совета Д 006.029.01 при ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д.Н. Прянишникова

Адрес:127550,г. Москва, ул. Прянишникова д. 31а, ГНУ ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГНУ ВНИИА имени Д.Н. Прянишникова.

Автореферат разослан « 27» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета: Никитина Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время все возрастающее воздействие человека на биосферу носит глобальный характер, в связи с чем весьма актуальными стали вопросы загрязнения окружающей среды многими токсичными веществами, в том числе тяжелыми металлами. Основными источниками антропогенного поступления тяжелых металлов являются: сбрасывание сточных вод, сжигание жидкого и твердого топлива, промышленное производство, деятельность плавильных заводов, внесение в почву средств химизации и т.д. Загрязнение почв солями тяжелых металлов приводит к увеличению абсолютных показателей их общего содержания, что негативно влияет на развитие растений, продуктивность и качество растениеводческой продукции [Минкина с соавт., 2007; Черных, 1995, 2002; Евдокимова с соавт., 2001; Титов с соавт., 2002; Зубкова, 2004; Ильин, 2004, 2006; Челтыгмашева с соавт., 2004, 2006; Гармаш, 2006; Peciulyte, 2006; Шагитова, 2007; Водяницкий, 2008; Минеев, 2008, 2009; Borowski, 2009; Long-GuoJin, 2010]. В связи с этим является актуальным решение вопросов снижения токсического действия тяжелых металлов на растения.

Одним из путей решения этой проблемы является оценка возможности использования регуляторов роста. Изучение регуляторов роста, как инструмента защиты и снижения токсического действия на растения малоизучено. Среди большого разнообразия препаратов применяемых в сельском хозяйстве, смесь оксикоричных кислот имеет определенное значение как средство, применяемое в чрезвычайно малых дозах (0,1-4 мг д.в./га). Характерными функциями этой категории веществ является стимуляция роста и корнеобразования, регуляция жизненных процессов в клетках растений, адаптация к неблагоприятным условиям внешней среды и защита от болезней путем повышения иммунитета растений [Малеванная, 2001; Ульяненко в соавт., 2002; Прусакова с соавт., 2005; Будыкина с соавт., 2007; Burbulis, 2009; De Csampos, 2009; Ниловская 2010; Серегина, 2010].

Представляется возможным и снижение ингибирующего действия тяжелых металлов путем оптимизации минерального питания в частности азотного. Исследования, проведенные с зерновыми культурами, показали эффективность использования азотного питания в стрессовых условиях. [Ниловская, 2009; Осипова, 2009; Серегина, 2010]. Недостаточная изученность действия тяжелых металлов на продуктивность и основные физиологические процессы в растениях и пути снижения их токсического действия требует всестороннего изучения.

Важно так же учитывать и сортовую специфику реакции растений в частности пшеницы на действие тяжелых металлов и приемов снижения их угнетающего действия.

Этот круг вопросов относиться к малоизученным и определяется актуальностью проведенных исследований.

Цель и задачи исследований. Целью исследований явилось изучение действия цинка, кадмия и свинца на продуктивность растений различных сортов яровой пшеницы в зависимости от уровня азотного питания при применении регулятора роста.

В диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Изучить влияние повышенных концентраций цинка на рост, развитие, продуктивность, химический состав различных сортов яровой пшеницы, в зависимости от доз азотных удобрений и применения регулятора роста
2. Определить действие кадмия и свинца на продуктивность растений яровой пшеницы при применении регулятора роста.
3. Оценить влияние поликомпонентного (цинк, кадмий, свинец) загрязнения почвы на рост, продуктивность, и содержание металлов в растениях яровой пшеницы в зависимости от дозы внесения азота и применения регулятора роста.
4. Действие цинка, кадмия и свинца на основные физиологические показатели растений пшеницы в зависимости от уровня азотного питания и применения регулятора роста.

Научная новизна работы. Впервые детально изучено действие однофакторного и поликомпонентного содержания тяжелых металлов в почве на продуктивность и основные физиологические показатели пшеницы. Показано, что степень негативного влияния повышенных концентраций цинка в почве на продуктивность пшеницы зависит от обеспеченности растений азотным питанием. Получены новые экспериментальные данные по физиологическому обоснованию действия регулятора роста на снижение токсического действия тяжелых металлов. Определена сортовая специфика и влияние уровня азотного питания на действие тяжелых металлов.

Практическая значимость работы. Обоснован прием снижения токсического действия высоких концентраций цинка, кадмия и свинца в почве на продуктивность, фотосинтетическую деятельность пшеницы и накопление элементов растениями при использовании повышенных доз азотных удобрений и регулятора роста, что может быть использовано для усовершенствования технологии возделывания культуры в условиях техногенной нагрузки на почву.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на конференциях молодых ученых во ВНИИА имени Д.Н. Прянишникова (Москва 2006-2011 гг); на научных конференциях – РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева (Москва, 2006 г); на конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007 г); на конференции «Современные проблемы в экологии» (Минск, 2008 г);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, включенных в перечень, рекомендуемый ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания схемы и методики проведения опытов, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, включает 39 таблиц, 12 диаграмм. Список литературы представлен 289 наименованиями, из них 74 на иностранных языках.

УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для решения поставленных задач в период с 2006 по 2010 гг было проведено 8 вегетационных опытов, где растения яровой пшеницы выращивались до полной спелости и 1 лабораторный эксперимент длительностью 21 день (опыт 1). Объектом исследований являлась яровая пшеница (Triticum aestivum L.) сортов Лада и МИС. Опыты проводились в вегетационном домике кафедры агрономической и биологической химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева и в фитотронной установке лаборатории «Потенциальной продуктивности и физиологии минерального питания» ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова.

Вегетационные опыты проводились в почвенной культуре в сосудах Вагнера емкостью 5 кг сухой почвы [Журбицкий, 1968]. Почва опытов дерново-подзолистая среднесуглинистая. Содержание гумуса составляло – 1,8%; рНKCL 6,1; Нг – 0,5 мг-экв/100 г почвы; S – 17,05 мг-экв/100 г почвы; V 88,3%; общий азот – 0,12 %. Почва обеспечена подвижными формами фосфора и калия на уровне VI класса (по Кирсанову). Содержание подвижных форм цинка – 0,5, кадмия- 0,18 и свинца - 0,13 мг/кг почвы. Элементы минерального питания вносили при закладке опытов, используя соли NH4NO3, КН2РО4 и КСl. Во всех вариантах в почву вносили фосфор и калий из расчета 150 мг/кг почвы каждого элемента. Уровень азотного питания различался по вариантам и составлял от 150 до 300 мг/кг почвы. Влажность почвы поддерживали на уровне 70% ПВ (полевая влагоемкость) путем ежедневного полива сосудов с растениями по массе. Повторность опыта 4-х кратная.

Для изучения действия повышенных концентраций тяжелых металлов на рост, развитие, продуктивность, содержание металлов, химический состав, интенсивность фотосинтеза и дыхание растений в зависимости от условий азотного питания при применении регулятора роста были проведены длительные вегетационные опыты (№ 2-8). В опытах моделировали разные уровни содержания цинка, кадмия и свинца в почве, путем внесения раствора сернокислой соли цинка ZnSO4 * 7H20 (22 % д.в.) из расчета 100, 250 и 500 мг цинка на 1 кг почвы (опыты 2-4). Кадмий вносили в виде водных растворов соли Cd(N03)2* 5H20 из расчета: 5, 10 и 25 мг/кг почвы (опыты 5,6). В опыте 7 свинец Pb(NO3)2 вносили из расчета 100 мг/кг почвы.

Для оценки действия поликомпонентного содержания тяжелых металлов в почве (цинк, кадмий и свинец) на продуктивность и основные физиологические процессы пшеницы в зависимости от уровня азотного питания при применении регулятора роста были проведены опыты 8, 9, в которых моделировали различные комбинации тяжелых металлов путем внесения в почву солей цинка (ZnS04-7H20), кадмия (Cd(N03)2*H20) и свинца (Pb(NO3)2) из расчета 250, 10 и 100 мг/кг почву соответственно.

В экспериментах изучали два способа применения регулятора роста циркон. Первый - предпосевная обработка семян (ПОС) проводилась путем замачивания в растворе препарата из расчета 0,1 мл препарата на 1 литр воды в течение 10 часов. Второй способ обработки - опрыскивание вегетирующих растений пшеницы (ОВР) на V и в начале VI этапа органогенеза растворами той же концентрации, что и при предпосевном замачивании семян.

В зависимости от задач опыта в длительных экспериментах проводили отбор проб 3-4 раза за вегетацию. Характер формирования продуктивности растений пшеницы оценивали по ее структуре на отдельных этапах органогенеза и при уборке урожая. При этом определяли нарастание биомассы, оценивали вегетативное и генеративное развитие растений.

Для характеристики фотосинтетической деятельности растений пшеницы проводили определение показателей: содержание фотосинтетических пигментов в листьях и в целом растении, соотношение хлорофилла а к хлорофиллу в [Андрианова с соавт., 2000]. Проводили морфофизиологический контроль по этапам органогенеза, измеряли площадь ассимиляционной поверхности листьев, стеблей, колосьев и надземной части растений, дм2. Рассчитывали фотосинтетический потенциал (дм2/сутки) [Ничипорович в соавт., 1961; Кумаков, 1980; Ниловская с соавт, 1999]. Измеряли интенсивность фотосинтеза и дыхания в герметичной камере фитотрона по методике, описанной в ряде работ [Ниловская с соавт., 1989, 1999; Аканов, 2004], рассчитывали величину нетто-ассимиляции СО2 (мг СО2/сутки на 1 растение) определяемую как количество углекислоты, поглощенной за световой период минус количество выделенной за темновой период [Ниловская с соавт., 1989].

Химический анализ зерна и соломы растений пшеницы проводили по общепринятым методикам. Содержание кадмия, цинка, свинца, кальция и магния в зерне и соломе пшеницы определяли методом атомно-адсорбционной спектрометрии. Растительные образцы предварительно озоляли в муфельной печи при температуре 450 оС.

Математическую обработку результатов опытов проводили на персональном компьютере, используя методы вариационной статистики [Доспехов, 1985].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Действие цинка на продуктивность, структуру урожая и сортовую специфику растений яровой пшеницы

Анализируя полученные данные опыта можно сделать вывод, что содержание цинка в 100 мг/кг в почве не оказывает достоверного влияния на продуктивность пшеницы. В результате исследований установлена токсическая концентрация цинка в почве 500 мг/кг снижающая продуктивность растения яровой пшеницы на 35 % (табл. 1).

Таблица 1 Продуктивность и структура урожая растений яровой пшеницы сорта Лада в зависимости от токсического загрязнения цинком (опыт 2)

Zn, мг/кг	Масса, г/сосуд			Число в колосе, шт./растение		Масса 1000 зерен, г
	Зерно	Солома	Зерно +солома	зерен	колосков
0	6,0	15,0	21,0	20,3	18,3	21,9
100	5,4	14,1	19,5	17,4	16,9	21,0
500	3,9	12,6	16,5	14,8	16,4	16,4
НСР0,05	0,8	0,9	0,9	2,4	1,2	2,0

Из полученных данных следует, что резкое уменьшение продуктивности растений явилось результатом токсического действия высокой концентрации цинка на формирование репродуктивных органов. Увеличение содержания цинка в почве способствовало резкому падению числа зерен - с 20,3 до 14,8 шт., достоверному уменьшению общего числа колосков и массы 1000 зерен с 21,9 до 16,4 г (25%).

Полученные данные подтверждаются исследованиями ряда авторов, которые отмечали, что в условиях возрастающей концентрации цинка в почве ухудшалась продуктивность и структура растений, так при дозе цинка в почве более 200 мг/кг снижалась масса зерна от 7 до 50 %, а масса целого растения - до 72 % у ячменя и пшеницы различных сортов [Черных, 1988; Беляева с соавт., 1997; Минеев с соавт., 2000; Дыбин, 2003, 2004; Ростовская с соавт., 2003; Peciulyte et. all., 2006; Ратников с соавт., 2007; Шагитова, 2007; Kurteva, 2009; Chowdhury et. all., 2010].

Для оценки начальной концентрации, которая оказывает токсическое действие, был проведен опыт с другими уровнями цинка, где было показано, что при содержании цинка 250 мг/кг почвы наблюдается ингибирующее действие: масса зерна снизилась с 5,9 до 4,8 г/сосуд, масса целого растения - с 16,2 до 13,5 г/сосуд (табл. 2).

Таблица 2 Действие цинка на продуктивность и сортовую специфику яровой пшеницы (опыт 3, 4)

Вариант опыта
Zn, мг/кг	сорт Лада			сорт МИС
	Зерно, г	Солома, г	Зерно +солома, г	Зерно, г	Солома, г	Зерно +солома, г
0	5,9	10,4	16,2	4,5	8,9	13,4
250	4,8	8,7	13,5	4,7	9,3	14,0
500	3,3	11,4	14,7	3,5	9,0	12,5
НСР0,05	0,2	0,3	0,5	0,2	0,3	0,6

Определено, что сорт МИС был более устойчив к концентрации цинка 250 мг/кг почвы, чем сорт Лада. При увеличении концентрации цинка до 500 мг/кг почвы снижение продуктивности наблюдалось на всех сортах, но на сорте МИС показатели снижались в меньшей степени (22%) по сравнению с сортом Лада (44%).

Таким образом, в проведенных исследованиях установлено, что концентрации цинка в 250 и 500 мг/кг в почве являются токсическими. Ингибирующее действие цинка при концентрации 500 мг/кг почвы на продуктивность пшеницы проявилось в большей степени и составило 44 %, что в 2 раза выше, чем при содержании цинка 250 мг/кг почвы. Выявлена, сортовая специфика реакции растений на содержание токсических концентраций цинка в почве.

Токсические концентрации способствуют снижению продуктивности растений, уменьшению показателей структурных элементов растений таких как, число зерен, числа колосков и массы 1000 зерен.

Продуктивность, структура урожая и сортовая специфика растений яровой пшеницы в зависимости от уровня азотного питания и применения регулятора роста

В проведенных исследованиях установлено, что увеличение уровня азотного питания приводило к снижению ингибирующего действия цинка. При опрыскивании растений регулятором роста отмечено достоверное увеличение продуктивности пшеницы при всех условиях загрязнения почвы цинком. Выявлена сортовая специфика, которая зависит от содержания цинка в почве, от уровня азотного питания и от применения регулятора роста. При концентрации цинка 250 мг/кг почвы на обоих сортах продуктивность возрастала с увеличением дозы азотных удобрений и обработкой препаратом, а при дозе цинка 500 мг/кг почвы - только у сорта МИС наблюдалось возрастание продуктивности во всех вариантах опыта (табл. 3).

Из данных полученных в проведенных исследований, можно сделать вывод, что эффективность применения регулятора роста зависит: от сортовой специфики, дозы азотных удобрений и от концентрации тяжелых металлов в почве. Установлено, что регулятор роста активизировал процессы закладки репродуктивных органов, что привело к увеличению продуктивности пшеницы. По-видимому, это связано с влиянием амидов оксикоричных кислот на процессы формирования цветков, деления клеток и цитоморфогенеза [Facchi et. all., 2002].

Таблица 3 Действие цинка на продуктивность растений в зависимости от уровня азотного питания и применения регулятора роста, г/сосуд (опыт 3, 4)

N, мг/кг Zn, мг/кг	Варианты опыта
	Контроль						Регулятор роста
	150			300			150			300
	масса зерна, г	число в колосе, шт.		масса зерна, г	число в колосе, шт.		масса зерна, г	число в колосе, шт.		масса зерна, г	число в колосе, шт.
		колосков	зерен		колосков	зерен		колосков	зерен		колосков	зерен
Лада
0	5,9	15,6	21,0	6,3	10,2	14,0	5,4	13,5	20,3	7,1	13,8	16,8
250	4,8	12,8	16,0	5,7	10,0	14,7	5,4	13,4	17,3	6,8	12,0	15,9
500	3,3	10,8	11,2	4,2	10,5	13,2	4,1	10,8	14,3	4,2	10,1	12,6
НСР0,05А/В	0,1/0,3	0,6/0,4	1,4/1,1	0,1/0,4	0,6/0,3	0,5/0,7	0,2/0,4	0,2/0,5	0,9/1,2	0,2/0,5	0,3/0,6	0,5/0,7
МИС
0	4,5	9,5	13,9	6,0	11,1	16,8	5,6	10,7	14,5	7,4	11,2	18,0
250	4,7	9,6	12,8	5,4	9,9	14,8	7,2	10,0	15,4	6,3	11,5	16,1
500	3,5	8,9	10,7	4,1	11,1	14,6	4,5	9,3	12,1	5,0	10,5	14,5
НСР0,05А/В, АВ	0,1/0,4	0,4/0,1	1,6/1,5	0,1/0,3	0,4/0,5	0,4/0,6	0,2/0,1	0,4/0,6	0,5/0,9	0,1/0,4	0,2/0,5	0,3/0,5

Примечание: фактор А - для цинка, фактор В - для регулятора роста и азота, АВ – взаимодействие факторов

В проведенных исследованиях установлено, что у изучаемых сортов пшеницы повышение доз азотных удобрений в контрольных вариантах активизировало нарастание ассимиляционной поверхности (табл. 4). Эти результаты согласуются с исследованиями ряда авторов [Остапенко, 1991; Большакова, 1993; Natr, 1997; Sivasankar et. all., 1998; Осипова, 2000, Сучкова, 2005]. Так у сорта Лада, на VII этапе величина площади листьев возросла с 4,70 до 6,87 дм2 (32 %), а на IX этапе – с 3,70 до 6,93 дм2 (46 %). Оценивая действие повышенных концентраций цинка на величину площади ассимиляционной поверхности в зависимости от уровня азотного питания, можно сделать вывод, что на фоне цинка 250 мг/кг почвы на всех сортах, увеличение дозы азота приводило к увеличению площади ассимиляционной поверхности целого растения.

Таблица 4 Влияние цинка на площадь ассимиляционной поверхности растений (дм2) и фотопотенциал (дм2/сутки) в зависимости от уровня азотного питания

		Вариант опыта	Этап органогенеза
			VII (колошение)				ФП	IХ (цветение)				ФП	ФП VII- IХ
Zn, мг/кг	Азот мг/кг		1раст.	лист		стебель		1раст.	лист	стебель	колос
		Сорт Лада
0	150		9,82	4,70		5,12	13,61	11,10	3,70	5,82	1,58	22,02	35,63
	300		12,01	6,87		5,14	15,12	14,13	6,93	5,20	2,01	23,54	38,66
250	150		7,95	4,92		3,03	13,31	9,47	3,95	3,86	1,66	7,88	21,19
	300		9,22	4,25		4,98	14,01	10,61	4,30	5,03	1,28	12,37	26,38
500	150		8,30	4,20		4,11	11,26	10,24	3,40	5,94	0,90	8,65	19,91
	300		9,41	4,69		4,71	13,62	11,38	4,75	4,77	1,86	11,68	25,30
		НСР0,05 А/В	0,10/0,14	2,07/2,11		0,97/1,00	2,10/2,12	0,68/0,72	2,57/2,62	1,63/1,65	0,58/0,63	4,50/4,52	6,40/6,44
		Сорт МИС
0	150		10,05	4,14	5,91		14,57	11,95	5,00	5,84	2,01	16,70	31,27
	300		11,47	4,62	6,85		16,19	12,12	4,75	4,95	2,41	17,83	34,02
250	150		8,99	4,61	4,38		11,62	11,03	4,34	5,27	1,43	13,10	24,72
	300		9,79	5,01	4,78		15,51	11,61	4,06	5,54	2,01	15,91	31,43
500	150		8,10	3,80	4,30		10,37	10,77	4,19	4,96	1,61	9,55	19,92
	300		9,06	4,79	4,27		13,21	12,17	4,96	5,38	1,82	9,73	22,94
		НСР0,05 А/В, АВ	1,33/1,36	0,20/0,22	1,13/1,14		2,09/2,14	0,35/0,40	0,17/0,21	0,12/0,15	0,12/0,15	1,30/1,28	3,10/3,04

Примечание: фактор А - для цинка, фактор В - для азота, АВ – взаимодействие факторов

При концентрации цинка 500 мг/кг происходило достоверное снижение площади поверхности растений на всех этапах органогенеза по сравнению с контролем, вне зависимости от сорта. Увеличение доз азота до 300 мг/кг приводило к снижению ингибирующего действия цинка, и способствовало увеличению показателей ассимиляционной поверхности растений.

Проведенные исследования позволили сделать вывод, что суммарная величина фотосинтетического потенциала, характеризующая величину и продолжительность работы ассимиляционного аппарата уменьшилась при повышении дозы цинка до 250 мг/кг почвы у сорта Лада с 35,63 до 21,19, у сорта МИС с 31,27 до 24,72 дм2/сут по сравнению с контролем. При концентрации цинка 500 мг/кг почвы снижение составило 44 % у сорта Лада и 36 % у сорта МИС. Повышение уровня азотного питания способствовала достоверному увеличению ФП во всех вариантах опыта.

В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что внесение в почву повышенных доз азота (300 мг/кг) снижало ингибирующее действие цинка и приводило к увеличению продуктивности растений пшеницы.

Необходимо отметить, что сорт МИС был более отзывчивым на внесение повышенного уровня азотного питания и устойчивым к повышенным концентрациям цинка, что наблюдалось в тенденции роста площади листьев и фотосинтетического потенциала в этих вариантах.

В результате проведенных исследований установлено негативное влияние высоких концентраций цинка на содержание отдельных элементов в растении. Установлено, что поступление кальция в растение снижалось. Применение регулятора роста при опрыскивании вегетирующих растений значительно увеличивало содержание кальция в зерне и соломе. Согласно полученным данным на поступление магния оказывают способы применения препарата. Предпосевная обработка семян регулятором роста увеличила поступление магния в растение на обоих уровнях загрязнения почвы цинком, а опрыскивание вегетирующих растений регулятором роста не оказало положительного действия ни на одном уровне содержания цинка в почве.

Загрязнение почвы цинком без применения регулятора роста приводило к снижению выноса азота, фосфора, калия, что особенно заметно при концентрации 100 мг на 1 кг цинка в почве. При использовании регулятора роста на обоих уровнях содержания цинка в почве, отмечено увеличение выноса элементов минерального питания по сравнению с вариантами без его применения, что вероятно связано с восстановлением процессов поглощения и использования растениями макроэлементов [Овцинов, 2005].

Из литературных источников известно, что поглощение цинка растением зависит от разных факторов таких как, содержание его в почве, от видовой специфики растений их физиологического состояния, фазы вегетации [Лукин, с соавт., 1999, 2001; Панин с соавт., 2005; Суслина с соавт., 2006; Радионов с соавт., 2007]. При содержании высоких доз цинка в почве увеличивается подвижность его, в большей степени за счет водорастворимой и обменной форм элемента, что способствует лу чшему поглощению его растениями [Шагитова, 2005; Панин с соавт., 2007].

В проведенных опытах установлено, что увеличение содержания цинка в почве также приводило к повышению его содержания в растениях. Применение регулятора роста снизило содержание цинка в растениях по сравнению с контролем. Наибольший эффект оказало опрыскивание вегетирующих растений (табл. 5). Так, на фоне 500 мг/кг почвы наблюдалось снижение содержание цинка с 79,08 до 65,20 мг/кг в зерне и с 161,50 до 63,03 мг/кг в соломе.

Таблица 5 Содержание цинка в растениях в зависимости от условий загрязнения почвы, мг/кг сухой массы (опыт 2)

Zn, мг/кг	Варианты обработки	Содержание цинка, мг/кг
		Зерно	Солома
0	Н2О	38,90	92,18
100	Н2О	61,70	87,70
500	Н2О	79,08	161,50
0	ПОС	43,00	38,40
100	ПОС	59,18	95,48
500	ПОС	76,85	130,57
0	ОВР	25,25	15,03
100	ОВР	64,55	51,50
500	ОВР	65,20	63,03
НСР 0,05		2,1	1,3

Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлено, что внесение повышенных доз азотных удобрений при загрязнении почвы цинком, благоприятно сказывалось на динамике роста и развития растений, что приводило к увеличению показателей продуктивности пшеницы. Сравнительная оценка действия повышенных доз азота и применения регулятора роста в зависимости от концентрации цинка в почве показала, что доза азота в 300 мг/кг и опрыскивание растений регулятором роста способствует значительному росту продуктивности пшеницы. Установлено, что наибольший эффект при применении регулятора роста отмечен при концентрации цинка 250 мг/кг в почве. Прибавка урожая зерна на фоне цинка 250 мг/кг в почве составила 35 %, а на дозе 500 мг/кг - 22 % по сравнению с необработанными растениями. Установлена сортовая специфика при загрязнении почвы цинком на растения пшеницы в зависимости от доз азота. Исследования, проведенные с яровой пшеницей, выращенной при высоких концентрациях цинка в почве, показали, что на фоне 100 мг/кг цинка в почве происходит снижение выноса элементов питания азота, фосфора и калия. Регулятор роста способствовал увеличению выноса элементов минерального питания. Проведенные исследования показали, что цинк накапливался больше в вегетативной части, чем в зерне.

Оценка действия повышенных концентраций кадмия в почве на продуктивность, формирование элементов продуктивности и некоторые физиологические показатели растений пшеницы

Необходимо отметить, что имеющиеся в литературе сведения относительно действия кадмия на рост растений неоднозначны. Наряду с указаниями на ингибирующее действие, имеются данные и о стимуляции процессов роста растений под действием невысоких концентраций этого металла. Считается, что этот элемент на начальных этапах органогенеза способен ускорять деление клеток перицикла и стимулировать образование корней, а на более поздних этапах онтогенеза кадмий оказывает негативное влияние, что может быть связано с накоплением кадмия тканями и усилением токсичного эффекта [Мельничук, 1990; Ильин, 1991; Гуральчук, 1994; Литицкая, Сафонов, 1997; Барсукова, 1997; Минеев, 1990, 2001; Евдокимова, с соавт., 2001; Титов с соавт., 2002; Черных с соавт., 2002, 2004; Челтыгмашева, с соавт., 2004; Гармаш, 2006; Иванов с соавт., 2008].

В наших исследованиях установлено, что кадмий оказывал негативное влияние на продуктивность, структуру и формирование элементов продуктивности растений (табл. 6).

Таблица 6 Влияние кадмия на продуктивность пшеницы (опыт 5)

Доза Cd, мг/кг	Зерно, г/сосуд	Солома, г/сосуд	Число колосков в колосе, шт.	Число зерен в колосе, шт.	Масса 1000 зерен, г
0	13,5	29,4	12,1	19,1	47,0
5	12,1	32,8	11,8	18,6	42,4
25	3,7	21,1	12,1	16,0	20,0
НСР0,05	1,4	3,6	0,1	2,8	2,1

Под действием высоких концентраций кадмия наблюдалось уменьшение массы зерна с 13,5 до 12,1 г/сосуд при низком содержании кадмия (5 мг на 1 кг почвы) и с 13,5 до 3,7 - при высоком (25 мг Cd на 1 кг почвы). Эти данные согласуется с результатами, полученными Е.М. Селезневой с соавт. [2005], В.В Говориной с соавт. [2007] и А.Н. Ратниковым с соавт. [2007]. Авторы обнаружили небольшое снижение урожая зерна яровых ячменя и пшеницы на невысоких концентрациях кадмия (4-10 мг/кг почвы) и резкое снижение - при более высоких (12-50 мг/кг почвы). Имеются данные, что у зерновых культур при содержании 50 мг кадмия на 1 кг почвы зерно вообще отсутствовало [Черных, с соавт., 2004].

Загрязнение почвы кадмием приводило к снижению массы зерна за счет уменьшения числа зерен и массы 1000 зерен. Обработка растений регулятором роста в контрольных вариантах улучшила условия закладки, формирования элементов продуктивности и структуры урожая растений (табл. 7).

Таблица 7 Действие кадмия на продуктивность растений при обработке растений регулятором роста (опыт 6)

Cd, мг/кг	Варианты обработки растений	Масса, г/сосуд			Число колосков в колосе, шт.	Число зерен в колосе, шт.	Масса 1000 зерен, г
		Зерно	Солома	Зерно +солома
0	Н2О	13,5	32,5	46,1	12,0	19,0	47,4
	Регулятор роста	16,1	36,6	52,6	13,0	23,0	46,5
10	Н2О	4,9	11,8	16,7	12,0	15,0	21,7
	Регулятор роста	6,4	14,3	20,6	11,9	15,7	27,0
НСР0,05		2,9	1,6	3,2	0,2	1,3	1,7

При высоком содержании кадмия в почве регулятор роста снижал его токсическое действие на массу зерна и соломы, число колосков и зерен в колосе. Эти данные согласуются с мнением Л.Н. Ульяненко [2005] о положительном действии регулятора роста на почвах загрязненных кадмием.

В проведенных экспериментах было установлено, что кадмий способствовал снижению площади ассимиляционной поверхности целого растения с 15,55 до 13,95 дм2, из-за достоверного снижения площади листьев и колоса.

Обработка растений регулятором роста при загрязнении кадмием оказывала положительное действие на ассимиляционную поверхность целого растения. На IX этапе органогенеза происходило увеличение этого показателя с 13,95 до 18,81 дм2. Препарат способствовал существенному увеличению площади листьев в фазу колошения и в фазу цветения (табл. 8).

Таблица 8 Действие кадмия на площадь ассимиляционной поверхности растений в зависимости от обработки растений регулятором роста, дм2

Cd, мг/кг	Варианты обработки растений	Этап органогенеза
		VII (колошение)			IХ (цветение)
		1раст.	лист	стебель	1раст.	лист	стебель	колос
0	Н2О	3,77	2,52	1,25	15,55	3,95	8,24	3,36
	Регулятор роста	4,47	3,07	1,40	15,07	3,48	7,90	3,69
10	Н2О	4,82	2,95	1,88	13,95	3,90	7,39	2,66
	Регулятор роста	5,97	4,30	1,67	18,81	6,42	8,74	3,66
НСР0,05		1,5	0,54	0,39	0,23	1,03	0,81	0,33

В проведенных исследованиях установлено, что кадмий влиял на процессы фотосинтеза и дыхания, в основном, за счет торможения фиксации СО2 растениями (табл. 9). Как следует из таблицы, регулятор роста во всех вариантах стимулировал фотосинтетическую и дыхательную деятельность растений. В контрольном варианте при обработки растений регулятором роста увеличилась интенсивность фотосинтеза и дыхания с 6,41 до 7,62 мг/СО2час и с 3,28 до 4,12 мг/СО2 час, что привело к росту нетто-ассимиляции СО2 растениями за сутки.

Таблица 9 Влияние кадмия на интенсивность фотосинтеза и дыхания растений пшеницы в зависимости от обработки растений регулятором роста, мг СО2/час на 1 растение

Cd, мг/кг	Варианты обработки растений	Фотосинтез	Дыхание	Нетто-ассимиляция, мг СО2/сутки
0	Н2О	6,41	3,28	96,38
	Регулятор роста	7,62	4,12	112,44
10	Н2О	4,03	2,92	55,02
	Регулятор роста	5,00	3,05	71,70

При применении регулятора роста в вариантах с повышенным содержанием кадмия в почве было отмечено значительное увеличение интенсивности фотосинтеза с 4,03 до 5,00 мг/СО2час и в меньшей степени - интенсивность дыхания, что определило увеличение нетто-ассимиляции СО2.

Таким образом, в проведенных исследованиях установлено, что обработка растений регулятором роста обеспечивала рост зерновой продуктивности пшеницы при повышенном содержании кадмия в почве за счет стимуляции ростовой активности и интенсивности фотосинтетических процессов.

Токсическое действие повышенных концентраций свинца в почве на растения пшеницы

В результате проведенных исследований установлено, что свинец оказывал негативное влияние на продуктивность пшеницы (табл.10). Определено, что масса зерна снизилась с 6,0 до 3,5 г/сосуд (42 %). Под действием свинца происходило достоверное снижение числа зерен с 18,5 до 12,2 шт. и массы 1000 зерен на 12%.

Таблица 10 Влияние свинца на продуктивность и структуру урожая растений при обработке растений регулятором роста (опыт 7)

Pb, мг/кг	Варианты обработки растений	Зерно г/сосуд	Солома г/сосуд	Зерно +солома г/сосуд	Число колосков в колосе, шт.	Число зерен в колосе, шт.	Масса 1000 зерен, г
0	Н2О	6,0	14,4	20,3	11,0	18,5	21,4
	Регулятор роста	9,0	13,3	22,3	12,3	20,4	29,3
100	Н2О	3,5	13,6	17,1	12,7	12,2	18,9
	Регулятор роста	8,6	13,0	21,6	12,1	20,6	27,9
НСР0,05		0,84	0,26	4,0	0,41	1,10	1,82

Применение регулятора роста достоверно повышало зерновую продуктивность пшеницы - с 3,5 до 8,6 г/сосуд. Обработка растений регулятором роста в варианте с высоким содержанием свинца в почве способствовала достоверному увеличению числа зерен в колосе с 12,2 до 20,6 штук и массы 1000 зерен - с 18,9 до 27,9 г (32 %).

Эффективность работы фотосинтетического аппарата зависит от условий выращивания растений. В проведенном опыте было установлено, что под действием регулятора роста в варианте с загрязнением почвы свинцом интенсивность фотосинтеза возрастала с 3,98 до 4,74 мг СО2/час (табл. 11).

Таблица 11 Действие свинца на интенсивность фотосинтеза и дыхания растений пшеницы в зависимости от обработки растений регулятором роста, мг СО2/час, на 1 растение

Pb, мг/кг	Варианты обработки растений	ФП VII- IХ, дм2	Фотосинтез	Дыхание	Нетто – ассимиляция, мг СО2/сутки на растение
0	Н2О	21,37	5,83	3,15	86,04
	Регулятор роста	29,44	6,60	4,38	92,52
100	Н2О	26,63	3,98	2,80	54,84
	Регулятор роста	28,63	4,74	3,72	63,00

Стимулирующий эффект препарата наблюдался и в контрольных вариантах опыта. Так, при использовании регулятора роста интенсивность фотосинтеза увеличилась с 5,83 до 6,60, дыхания - с 3,15 до 4,38 мг СО2/час, что способствовало значительному увеличению показателя нетто-ассимиляции и, в дальнейшем, продуктивности пшеницы.

Наибольшее проявление положительного действия регулятора роста на эффективность работы листового аппарата отмечено на контрольном варианте опыта- с 21,37 до 29,44 дм2, наименьшее при повышенном содержании свинца в почве с - 26,63 до 28,63 дм2.

Таким образом, в результате проведенных исследований выявлено, что при повышенном содержании свинца в почве, происходило снижение продуктивности пшеницы. Применение регулятора роста снижало токсическое действие свинца на формирование и реализацию элементов продуктивности и продуктивность.

Влияние регулятора роста на яровую пшеницу в условии полиэлементного загрязнения почвы

Как показывают результаты исследований, все варианты загрязнения тяжелыми металлами почвы оказывали негативное действие на продуктивность и структуру биомассы пшеницы (таблица 12). Наибольшее снижение продуктивности по сравнению с контролем отмечено при комплексном действии кадмия и свинца. Масса зерна в этом варианте уменьшилась до 2,9 г/сосуд против 4,8 в контроле, масса соломы – до 9,9 против 12,2 г/сосуд.

Таблица 12 Влияние регулятора роста на продуктивность и структуру биомассы растений пшеницы в зависимости от загрязнения почвы (опыт 9)

Концентрация, мг/кг			Вариант опыта
			контроль								Регулятор роста
кадмия	цинка	свинца	зерно			солома			зерно + солома		зерно			солома			зерно + солома
			г/сосуд.	доля в структуре растения, %	% снижения к контролю	г/сосуд	доля в структуре растения, %	% снижения к контролю	г/сосуд	% снижения к контролю	г/сосуд	доля в структуре растения, %	% снижения к контролю	г/сосуд	доля в структуре растения, %	% снижения к контролю	г/сосуд	% снижения к контролю
0	0	0	4,8	28	-	12,2	72	-	17,0	-	6,2	33	-	12,6	67	-	18,6	-
10	250	0	3,9	27	19	10,7	73	12	14,4	15	4,8	29	22	11,7	71	7	16,5	11
10	250	100	3,3	22	31	11,9	78	3	15,2	11	4,2	31	31	9,3	69	26	13,5	27
10	0	100	2,9	22	41	9,9	78	19	12,8	24	4,5	29	27	11,1	71	12	15,8	15
0	250	100	4,7	30	3	11,1	70	9	15,8	7	5,4	31	12	12,3	69	3	17,7	5
НСР0,05 А/В, АВ			0,7/0,9			0,8/1,1			1,7/2,0		0,6/0,9			0,6/0,8			1,8/2,3

Примечание: фактор А – для концентраций тяжелых металлов, фактор В - для регулятора роста, АВ – взаимодействие факторов

При этом, также ухудшилась структура растений из-за снижения доли зерна и увеличения доли соломы. При моделировании загрязнения почвы цинком и свинцом наблюдался наименьший фитотоксичный эффект. Снижение массы надземной части растений составило всего лишь 7 %, что было связано, в основном, с уменьшением массы соломы. Как показывают результаты опытов, при всех изучаемых соотношениях токсических элементов потери урожая зерна были обусловлены в первую очередь нарушением процессов формирования репродуктивных органов.

Установлено, что загрязнение почвы токсическими элементами значительно повышало их содержание, как в зерне, так и соломе. Максимальные абсолютные величины накопления кадмия и свинца зерном и соломой наблюдались в варианте с искусственным загрязнением этими элементами, следствием чего явилось ухудшение условий закладки и налива зерновок, определившее и, наибольшее снижение продуктивности пшеницы (табл. 13). Самое большое поступление цинка в растения пшеницы также отмечено при наличии свинца в почве. Наибольшее содержание свинца в зерне и соломе яровой пшеницы отмечалось в вариантах с внесением свинца и кадмия.

Применение регулятора роста при повышенном содержании элементов в почве снижало содержание тяжелых металлов в растениях пшеницы во всех вариантах опыта с 1,4 до 1,7 раз по сравнению с контролем без использования препарата. Уменьшение поступления высоких концентраций изучаемых элементов способствовало улучшению условий формирования и реализации элементов продуктивности, что, вероятно, определило сохранение жизнеспособности цветков главного побега и озерненность колоса. Возможно, это обусловлено биологической активностью препарата, выполняющего в растениях защитные функции как стимулятор роста, иммуномодулятор и антистрессовый адаптоген с защитными свойствами действующего вещества препарата – оксикоричных кислот, проявляющих антиоксидантные функции, а также активирующих ряд ферментов [Малеванная с соавт. 2001; Ларионов, 2001; Sakurai с соавт., 1990; Прусакова с соавт., 2005].

Установлено, что фитотоксичное загрязнение снижало общее содержание хлорофилла на 12-20 %, что свидетельствует о нарушении процессов синтеза пигментов. Обработка растений регулятором роста влияла на изменение содержания хлорофилла в листьях растений. Под действием препарата тяжелые металлы не оказывали значительного влияния на хлорофилл а и в во всех вариантах опыта. Возможно, это связано с защитными свойствами оксикоричных кислот благодаря их антиоксидантной функции, активизирующей ферменты.

Таблица 13 Содержание цинка, кадмия и свинца в растениях пшеницы сорта МИС в зависимости от загрязнения почвы, мг/кг сухой массы

Концентрация, мг/кг			Вариант опыта
			Контроль						Регулятор роста
кадмия	цинка	свинца	цинк		кадмий		свинец		цинк		кадмий		свинец
			зерно	солома	зерно	солома	зерно	солома	зерно	солома	зерно	солома	зерно	солома
0	0	0	34,7	89,5	0,18	0,95	0,54	2,60	21,5	18,0	0,04	0,21	0,41	2,17
10	250	0	68,2	97,0	1,44	3,75	0,54	2,82	50,7	60,0	0,94	2,40	0,40	1,99
10	250	100	57,1	88,7	2,71	3,84	2,33	9,04	55,2	90,9	1,58	3,71	3,58	5,74
10	0	100	31,1	84,3	3,12	4,21	4,21	9,20	25,3	13,2	2,32	3,82	3,47	6,13
0	250	100	71,2	100,9	0,18	0,86	3,73	8,43	64,8	94,3	0,08	0,26	3,12	5,39
НСР0,05 А/В, АВ			4,5/4,7	2,1/2,3	0,07/0,1	0,1/0,3	0,05/0,08	0,18/0,21	1,1/1,4	9,1/9,4	0,04/0,07	0,05/0,06	0,06/0,09	0,11/0,17

Примечание: фактор А – для концентраций тяжелых металлов, фактор В - для регулятора роста, АВ – взаимодействие факторов

ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования позволили установить, что при повышенном содержании цинка в почве (250 и 500 мг на 1 кг почвы) наблюдается достоверное снижение продуктивности пшеницы. Отмечено уменьшение ассимиляционной поверхности и фотосинтетического потенциала растений, а также озерненности колоса, обусловленных сортовой реакцией растений на загрязнение почв цинком.
2. Показано, что токсическое действие цинка снижается при повышении уровня обеспеченности растений азотным питанием и при использовании регулятора роста, что способствует сохранению заложившихся элементов продуктивности, стимулированию фотосинтетической деятельности и повышению продуктивности растений в зависимости от их сортовой специфики.
3. В вариантах с загрязнением кадмием при концентрациях 10 и 25 мг/кг почвы наблюдалось снижение продуктивности пшеницы на 60 и 70 % соответственно, в связи с угнетающим действием тяжелого металла на структурные элементы продуктивности, фотосинтетическую деятельность, формирование ассимиляционной поверхности и газообмена, аналогичная деятельность, но в меньшей степени наблюдалась и при повышенном содержании в почве свинца.
4. Установлено, что обработка растений биопрепаратом в вариантах с повышенным содержанием тяжелых металлов в почве стимулировала интенсивность фотосинтеза, активность дыхательного газообмена и увеличивала величину суммарного поглощения углекислоты растениями. Возрастали величины ассимиляционной поверхности растений и фотопотенциал. Применение регулятора роста способствовало уменьшению негативного влияния на закладку элементов продуктивности, и как следствие саму продуктивность растений.
5. Поликомпонентное загрязнение почвы цинком, кадмием и свинцом приводило к различной степени негативного действия на продуктивность и морфофизиологические показатели растений. Установлено, что наиболее ингибирующее действие наблюдалось при комплексном содержании кадмия и свинца в почве. Присутствие цинка в различных комбинациях с кадмием и свинцом приводило к частичной нейтрализации их токсического действия.
6. Использование регулятора роста позволило снизить в 1,4 - 1,7 раза накопление тяжелых металлов (цинка, кадмия и свинца) в растениях. Применение биопрепарата способствовало увеличению содержания хлорофилла а и в в растениях. Совместное применение регулятора роста и повышенного уровня азотного питания уменьшало угнетающее действие тяжелых металлов на формирование элементов продуктивности и продуктивность на всех уровнях загрязнения почвы. Установлено, что эффективность препарата зависела от сочетания токсических элементов в почве.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Серегина И.И., Чурсина Е.В. Влияние циркона на формирование продуктивности яровой пшеницы в зависимости от содержания цинка в почве // Агрохимические приемы повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно-ландшафтных системах земледелия: Матер. Международной научной конференции (ВНИИА). – М.: ВНИИА, 2006. – С. 274-277.
2. Серегина И.И., Чурсина Е.В. Использование циркона для снижения токсического действия цинка на растения пшеницы //Сб. науч. ст. доклады ТСХА. М.: ФГОУ-ВПО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2006б – вып. 278. – С. 561-565.
3. Чурсина Е.В Действие регулятора роста циркон на продуктивность яровой пшеницы в зависимости от концентрации тяжелых металлов в почве.//Агрохимические технологии, приемы и способы увеличения объемов производства высококачественной сельскохозяйственной продукции: Матер. Международной научной конференции (ВНИИА). – М.: ВНИИА, 2008. – С. 170-172.
4. Серегина И.И., Ниловская Н.Т., Чурсина Е.В. Рост и развитие растений пшеницы в зависимости от уровня загрязнения почвы тяжелыми металлами при применении регулятора роста циркон // Проблемы агрохимии и экологии. – 2010 - № 2. – С. 27-33.
5. Серегина И.И., Чурсина Е.В. Влияние препарата циркон на продуктивность яровой пшеницы и содержание тяжелых металлов в продукции при загрязнении почвы цинком, кадмием, свинцом // Агрохимия. – 2010. - № 9. – С. 66-71.
6. Ниловская Н.Т., Чурсина Е.В. Действие повышенных концентраций цинка на продуктивность яровой пшеницы в зависимости от уровня азотного питания в почве и сортовой специфики растений//Матер. Международной научной конференции (ВНИИА). – М.: ВНИИА, 2011. – С.