Агрохимия, 2023, № 1, стр. 73-82
Химический состав растений яровой пшеницы на кислой дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, произвесткованной кальцийсодержащими отходами промышленности. Эмпирические модели транслокации макро- и микроэлементов в вегетативные и генеративные органы растений
А. В. Литвинович 1, 2, *, А. В. Лаврищев 2, А. О. Ковлева 1, 2, В. М. Буре 1, 3
1 Агрофизический научно-исследовательский институт
195220 С.-Петербург–Пушкин, Гражданский просп., 14, Россия
2 Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
196601 С.-Петербург–Пушкин, Петербургское шоссе, 2, Россия
3 Санкт-Петербургский государственный университет
199034 С.-Петербург, Университетская наб., 7–9, Россия
* E-mail: av.lavrishchev@yandex.ru
Поступила в редакцию 02.08.2022
После доработки 09.09.2022
Принята к публикации 14.10.2022
- EDN: FEOMBE
- DOI: 10.31857/S0002188123010052
Аннотация
В 2-х вегетационных опытах, заложенных на кислой дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, проведено сравнительное изучение удобрительной ценности и мелиоративных свойств тонкоизмельченных частиц доломита (ДМ), используемых для дорожного строительства, и доменного шлака (ДШ) металлургического завода. Установлено, что спустя 1 год после известкования ДМ, внесенная в эквивалентных с ДШ по нейтрализующей способности дозах, способствовала большему сдвигу рНKCl и большему накоплению суммы обменных оснований Ca2+ + Mg2+. По влиянию на продуктивность соломы пшеницы варианты с ДШ, внесенном в равных с ДМ количествах, не уступали последней. Влияние известкования ДМ на урожайность зерна пшеницы было более значимо, чем с ДШ. Выявлена связь между содержанием подвижных катионоd Ca2+ + Mg2+ в мелиорированной почве и продуктивностью зерна пшеницы. Разработаны эмпирические зависимости, описывающие влияние возрастающих доз мелиорантов на переход кальция, магния, цинка, железа и марганца в солому и зерно растений. Сделан вывод, что на первом этапе растворения мелиорантов их химическая природа была ведущим фактором при достижении эффекта от известкования. Степень измельчения известковых материалов имела второстепенное значение.
ВВЕДЕНИЕ
В лаборатории мелиорации почв АФИ (бывшая лаборатория агроэкологических исследований ВНИПТИМ) с 1987 г. проводили исследования, направленные на установление возможности использования отходов промышленных производств в качестве удобрений и мелиорантов [1–8].
Сложившиеся в настоящее время экономические условия в сельском хозяйстве, дороговизна проведения известкования, терриконы кальцийсодержащих отходов около металлургических предприятий и многочисленные известковые отвалы вблизи бывших и существующих карьеров по добыче щебня для дорожного строительства заставляют вернуться к этому вопросу.
К настоящему времени существуют достаточно полные представления о механизме растворения кальцийсодержащих мелиорантов в почвах. Например, при растворении известняковой муки кальций, который содержится в отдельных полисинтетических двойниковых зернах, исчезает почти полностью. Остаются реликты зерен кальцита, окруженные мелкозернистыми новообразованиями Ca3(C6H5O7)3, которые препятствуют дальнейшему растворению, но с увеличением продолжительности взаимодействия с почвой так же полностью исчезают.
Доломитовая порода, сложенная исключительно чистым доломитом – Ca,Mg(CO3)2 – встречается очень редко. Чаще она состоит из кальцита, магнезита и, собственно, доломита. Обычно избыток CaCO3 образует кальциевый цемент, скрепляющий ромбоэдрические кристаллы двойного карбоната. Растворение среднего доломита – результирующая 2-х параллельно идущих процессов: 1 – растворение кальцита (или магнезита), цементирующего кристаллы двойной соли, 2 – растворение зерен собственно двойной соли. Растворимость чистого кальцита или чистого магнезита выше, чем растворимость двойной соли, поэтому избирательное растворение имеет своим результатом процесс с характерными конечными продуктами. Происходит измельчение доломита в процессе химического выветривания с образованием порошковидного доломита [9].
Результаты петрографических исследований доменных шлаков показали, что доминирующим минералом в их составе является мелинит (2CaO ‧ ‧ MgO ‧ 2SiO2) ‧ (2CaO ‧ Al2O3 · SiO2), состоящий на 10% из окерманита (2CaO ‧ MgO ‧ 2SiO2) и на 90% из геленита (2CaO ‧ Al2O3 ‧ SiO2). Отмечено постепенное равномерное растворение мелинита по трещинам по всей поверхности его соприкосновения с почвой [10].
Использование отходов в качестве мелиорантов имеет свои особенности. Каждый обладает только ему присущим набором макро- и микроэлементов. При их внесении в почву важную роль играет не только прямое увеличение концентрации примесных элементов, которые могут поглощать растения непосредственно, но и сложные процессы адсорбции, комплексообразования, ионного обмена, соосаждения между отдельными элементами, в результате чего подвижность (доступность) их для растений будет меняться. При повышении уровня обеспеченности одним элементом у растений, как правило, изменяется потребность в других.
Цель работы – изучить особенности химического состава растений яровой пшеницы, выращенных на кислой дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, мелиорированной возрастающими дозами доломитовой муки (ДМ), приготовленной из отсева доломитовой крошки, и тонкоизмельченного доменного шлака (ДШ) металлургического предприятия.
Задачи исследования: изучить изменения кислотно-основных свойств дерново-подзолистой почвы спустя 1 год после известкования ДМ и ДШ в широком интервале доз; определить продуктивность и химический состав генеративных и вегетативных органов яровой пшеницы; выявить связь между содержанием подвижных катионов (Ca2+ + Mg2+ ) в мелиорируемой почве и продуктивностью зерна пшеницы; разработать эмпирические зависимости, описывающие влияние возрастающих доз мелиорантов на переход кальция, магния, марганца, железа и цинка в солому и зерно растений; на основе проведенных исследований дать сравнительную оценку удобрительной ценности и мелиоративных свойств известковых материалов карбонатной и силикатной природы.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Изучение проводили в 2-х параллельных вегетационных опытах. Схема опыта с ДМ (опыт 1) включала 4 варианта, с ДШ (опыт 2) – 6 вариантов. Контролем в обоих опытах служил вариант без известкования, удобренный минеральными удобрениями (табл. 1).
Таблица 1.
Вариант | рНKCl | Ca2+ + Mg2+, ммоль(экв)/100 г |
---|---|---|
Опыт 1 | ||
1. Фон (NPK) | 4.14 | 1.45 |
2. Фон + ДМ по 0.375 Нг | 4.52 | 3.71 |
3. Фон + ДМ по 0.75 Нг | 4.97 | 5.36 |
4. Фон + ДМ по 1 Нг | 5.38 | 6.63 |
Опыт № 2 | ||
1. Фон (NPK) | 4.14 | 1.45 |
5. Фон + ДШ по 0.1 Нг | 4.30 | 2.06 |
6. Фон + ДШ по 0.25 Нг | 4.39 | 2.54 |
7. Фон + ДШ по 0.375 Нг | 4.42 | 3.05 |
8. Фон + ДШ по 0.75 Нг | 4.69 | 3.84 |
9. Фон + ДШ по 1 Нг | 4.83 | 4.71 |
Примечание. ДМ – доломитовая мука, ДШ – доменный шлак. То же в табл. 2–5.
Выращивание растений проводили в вегетационных сосудах, вмещающих 5 кг почвы. Перед посевом почву удобряли азофоской (NPK = 16 : 16 : 16) в количестве 0.2 г д.в./кг почвы. Культура – яровая пшеница (Triticum) сорта Ленинградская-97. Пшеницу в опыте выращивали до полной спелости.
В опытах использовали сильнокислую дерново-подзолистую легкосуглинистую почву со следующими физико-химическими показателями: рНKCl 4.1, гидролитическая кислотность (Нг) и сумма поглощенных оснований (S) – 4.75 и 1.5 ммоль(экв)/100 г почвы соответственно, гумус – 1.75%, содержание фракции <0.01 мм – 24.1%. Валовой химический состав почвы приведен в табл. 2.
Таблица 2.
Потеря при прокаливании | SiO2 | R2O3 | Fe2O3 | Al2O3 | CaO | MgO | P2O5 | SO3 | MnO | Σ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
4.75 | 82.27 | 9.12 | 1.89 | 8.38 | 0.29 | 0.30 | 0.09 | 0.38 | 1.47 | 99.82 |
В качестве мелиорантов применяли доломитовую муку, приготовленную из отсева доломита, используемого для дорожного строительства (месторождение Елизаветино, Гатчинский р-н Ленинградской обл.) и доменный шлак Череповецкого металлургического комбината.
Перед применением мелиорантов их размалывали до тонкодисперсного (порошкообразного) состояния, пропуская через сито с диаметром ячеек 0.25 мм. Нейтрализующая способность ДМ – 93, ДШ – 85%. При внесении в почву мелиоранты выравнивали по нейтрализующей способности. Доза ДМ, рассчитанная по 1 Нг, составила 12.6, ДШ – 13.8 г/сосуд. Содержание CaCO3 в отсеве – 48.1, MgCO3 – 36.4%, в доменном шлаке: CaO – 39.73, MgO – 19.7, SiO2 – 38.43, Al2O3 – 6.7, MnO – 0.32%. Содержание примесных элементов в мелиорантах приведено в табл. 3.
Таблица 3.
As | Hg | Pb | Cu | Zn | Mn | Cd | Ni |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Доменный шлак | |||||||
0.14 | 0.018 | 27.2 | 9.0 | 4.1 | 1105 | <0.01 | 11.6 |
Доломитовая мука | |||||||
<1.0 | <0.015 | 9.76 | 1.46 | 8.50 | Не определяли | <0.05 | 6.20 |
ДШ Череповецкого завода является известково-силикатным, а доломитовая мука – известково-карбонатным удобрением. По содержанию тяжелых металлов, присутствующих в отходах, они не представляют угрозы загрязнения почв и растений.
Физико-химические показатели почвы устанавливали общепринятыми методами. Микроэлементный состав почв, растений и мелиорантов определяли на атомно-адсорбционном спектрофотометре. Извлечение суммы Ca2+ + Mg2+ из почв проводили ацетатно-аммонийным буфером (рН 4.8). Полученные данные обработаны методами математической статистики [11].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты свидетельствовали, что во всех вариантах с известкованием применение мелиорантов способствовало росту величины рН, измеренной в растворе 1 н. KCl. Чем больше была доза применения, тем показатель рН был выше. Использование одних минеральных удобрений не вызвало подкисления (табл. 1).
Эффект от применения мелиорантов карбонатной и силикатной природы был различен. Если при использовании ДМ рост рН в варианте с использованием полной дозы мелиоранта (1 Нг) достигал 5.38 ед. рН, то при применении ДШ в эквивалентной дозе величина рНKCl составила 4.83 ед.
Изменение величины рНKCl в мелиорированной почве коррелировало с изменением суммы поглощенных оснований Ca2+ + Mg2+. В опыте с ДМ изменения содержания составили от 1.45 (вариант NPK) до 6.63 ммоль(экв)/100 г почвы (вариант с доломитовой мукой, рассчитанной по полной дозе Нг). Коэффициент корреляции был равен r = 0.99. В опыте с ДШ размах изменений содержания суммы Ca2+ + Mg2+ составил 1.45–4.71 ммоль(экв)/100 г почвы. Коэффициент корреляции между величинами рНKCl и суммы Ca2+ + + Mg2+ был равен 0.99. Таким образом, в обоих опытах в результате известкования уже в год применения был достигнут мелиоративный эффект. Использование ДМ более значимо повлияло на кислотно-основные свойства почвы. Следовательно, химическая природа мелиоранта была ведущим фактором при достижении эффекта от известкования. Степень измельчения имела второстепенное значение.
Данные о влиянии известкования на урожайность и химический состав растений пшеницы приведены в табл. 4. Минимальный выход соломы растений в опытах был характерен для контрольного варианта. В вариантах, удобренных ДМ в дозах 0.375–1 Нг, урожайность соломы была в 2.3–2.5 раза больше, чем в контроле. Применение ДШ в эквивалентных с ДМ дозах было не менее эффективным.
Таблица 4.
Вариант | Урожай, г/сосуд | Ca | Mg | Fe | Mn | Zn | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
% | мг/кг | |||||||||||
1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | |
Опыт 1 | ||||||||||||
1. Фон (NPK) | 2.2 | 4.7 | 0.066 | 0.418 | 0.125 | 0.056 | 56.3 | 82.1 | 194.7 | 419.3 | 45.1 | 17.3 |
2. Фон + ДМ по 0.375 Нг | 9.7 | 10.8 | 0.053 | 0.425 | 0.162 | 0.181 | 62.9 | 82.5 | 54.4 | 206.1 | 41.2 | 12.7 |
3. Фон + ДМ по 0.75 Нг | 11.9 | 11.4 | 0.047 | 0.488 | 0.167 | 0.190 | 60.2 | 77.0 | 42.3 | 141.0 | 30.6 | 6.9 |
4. Фон + ДМ по 1 Нг | 12.5 | 11.6 | 0.049 | 0.470 | 0.170 | 0.190 | 64.0 | 67.4 | 41.7 | 101.9 | 27.2 | 5.1 |
Опыт 2 | ||||||||||||
1. Фон (NPK) | 2.2 | 4.7 | 0.066 | 0.418 | 0.125 | 0.056 | 56.3 | 82.1 | 194.7 | 419.3 | 45.1 | 17.3 |
2. Фон + ДШ по 0.1 Нг | 6.0 | 7.3 | 0.047 | 0.403 | 0.145 | 0.092 | 42.9 | 72.9 | 126.6 | 347.7 | 39.3 | 10.6 |
3. Фон + ДШ по 0.25 Нг | 8.8 | 8.7 | 0.058 | 0.407 | 0.130 | 0.078 | 49.3 | 66.1 | 69.1 | 246.5 | 32.9 | 8.6 |
4. Фон + ДШ по 0.375 Нг | 8.4 | 10.0 | 0.048 | 0.433 | 0.147 | 0.091 | 52.8 | 78.7 | 65.5 | 219.7 | 34.5 | 16.0 |
5. Фон + ДШ по 0.75 Нг | 9.2 | 11.8 | 0.051 | 0.435 | 0.140 | 0.150 | 61.4 | 76.7 | 50.6 | 198.4 | 45.4 | 9.0 |
6. Фон + ДШ по 1 Нг | 9.4 | 12.7 | 0.048 | 0.460 | 0.136 | 0.172 | 55.0 | 81.1 | 40.6 | 185.3 | 25.7 | 7.9 |
Влияние известкования ДМ на выход зерна пшеницы оказалось более значимо, чем ДШ. Прибавки урожая в сосудах с использованием ДМ в дозах, соответствующих 0.75 и 1 Нг, были больше, чем в аналогичных вариантах со шлаком.
Эмпирическая модель (1), описывающая влияние содержания суммы Ca2+ + Mg2+ в почве, мелиорированной ДМ, на урожайность зерна пшеницы имеет следующий вид:
для доменного шлака: где x – содержание суммы Ca2+ + Mg2+ в почве, y – урожайность зерна.Для опыта 1: $p = 0.051$ ($p~$ – value по критерию Фишера), ${{R}^{2}} = 0.901$, для опыта 2: $p = 0.046$, ${{R}^{2}} = 0.67$. Ожидаемое изменение показателя y при увеличении x на одну единицу в интервале измерений в опыте 1 – ${{{v}}_{1}} = 2.01$, в опыте 2 – ${{{v}}_{2}} = 1.93$. График эмпирической зависимости (1) приведен на рис. 1.
Зависимости величины урожая зерна в опыте 1 и опыте 2 от содержания суммы Ca2+ + Mg2+ в почве были статистически значимыми на высоком уровне значимости. Таким образом, использование мелиорантов как карбонатной, так и силикатной природы, привело к увеличению урожая зерна пшеницы. Величины ожидаемых изменений ${{{v}}_{1}}$ и ${{{v}}_{2}}$ были практически одинаковыми. На рис. 1 графики моделей (1) и (2) почти параллельны. Более высокий уровень урожая зерна, достигнутый в опыте 1, по-видимому, объясняется более высоким содержанием доступных для растений Ca2+ + Mg2+ в почве, мелиорированной ДМ, чем ДШ в год применения.
Разная растворимость мелиорантов в почве различных вариантов опыта неизбежно сказалась на количестве поглощенного пшеницей магния. Концентрация магния в соломе во всех изученных вариантах опыта с ДМ была больше, чем в аналогичных вариантах опыта с ДШ. При использовании ДМ в дозе 0.375 Нг содержание магния в соломе было равно 0.181% от абсолютно сухой массы растений, в варианте с эквивалентной дозой ДШ – 0.091%, т.е. в 2 раза меньше. Изменения содержания магния в вариантах опыта с ДМ составили 0.056–0.190% (разница в 3.4 раза), в вариантах с ДШ – от 0.056 до 0.172% (разница в 3.0 раза).
По мере увеличения дозы применения мелиорантов установлен рост содержания магния в соломе пшеницы. Статистическая значимость моделей (5) и (6), описывающих влияние дозы применения мелиорантов на переход магния в солому, в опыте с ДМ была низкой, в опыте с ДШ – высокой (табл. 5).
Таблица 5.
Модель, № | Модель | p-value | ${v}$* | R2** | |
---|---|---|---|---|---|
Опыт 1 (Mg, зерно) | 3 | ${{y}_{3}} = 0.133 + 0.043x$ | 0.1 | 0.043 | 0.79 |
Опыт 2 (Mg, зерно) | 4 | ${{y}_{4}} = 0.135 + 0.0048x$ | 0.67 | 0.0048 | 0.04 |
Опыт 1 (Mg, солома) | 5 | ${{y}_{5}} = 0.087 + 0.126x$ | 0.15 | 0.126 | 0.71 |
Опыт 2 (Mg, солома) | 6 | ${{y}_{6}} = 0.061 + 0.111x$ | 0.0019 | 0.111 | 0.92 |
Опыт 1 (Сa, зерно) | 7 | ${{y}_{7}} = 0.063 - 0.018x.$ | 0.1 | –0.018 | 0.8 |
Опыт 2 (Сa, зерно) | 8 | ${{y}_{8}} = 0.057 - 0.01x$ | 0.28 | -0.01 | 0.278 |
Опыт 1 (Сa, солома) | 9 | ${{y}_{9}} = 0.415 + 0.067x$ | 0.138 | 0.067 | 0.74 |
Опыт 2 (Сa, солома) | 10 | ${{y}_{{10}}} = 0.406 + 0.048x$ | 0.019 | 0.048 | 0.78 |
Опыт 1 (Mn, зерно) | 11 | ${{y}_{{11}}} = 160.2 - 144.8x$ | 0.1 | –144.8 | 0.72 |
Опыт 2 (Mn, зерно) | 12 | ${{y}_{{12}}} = 141.8 - 122.7x$ | 0.05 | –122.7 | 0.65 |
Опыт 1 (Mn, солома) | 13 | ${{y}_{{13}}} = 380.2 - 307.1x$ | 0.05 | –307.1 | 0.9 |
Опыт 2 (Mn, солома) | 14 | ${{y}_{{14}}} = 353.7 - 204.1x$ | 0.03 | –204.1 | 0.7 |
Опыт 1 (Fe, зерно) | 15 | ${{y}_{{15}}} = 57.7 + 5.94x$ | 0.23 | 5.94 | 0.58 |
Опыт 2 (Fe, зерно) | 16 | ${{y}_{{16}}} = 49.5 + 8.51x$ | 0.288 | 8.51 | 0.27 |
Опыт 1 (Fe, солома) | 17 | ${{y}_{{17}}} = 84.7 - 14.01x$ | 0.12 | –14.01 | 0.76 |
Опыт 2 (Fe, солома) | 18 | ${{y}_{{18}}} = 74.5 + 4.26x$ | 0.59 | 4.26 | 0.07 |
Опыт 1 (Zn, зерно) | 19 | ${{y}_{{19}}} = 46.14 - 19.06x$ | 0.017 | –19.06 | 0.96 |
Опыт 2 (Zn, зерно) | 20 | ${{y}_{{20}}} = 41 - 9.36x$ | 0.3 | –9.36 | 0.22 |
Опыт 1 (Zn, солома) | 21 | ${{y}_{{21}}} = 17.25 - 12.7x$ | 0.006 | –12.7 | 0.99 |
Опыт 2 (Zn, солома) | 22 | ${{y}_{{22}}} = 14.16 - 6.28x$ | 0.2 | –6.28 | 0.36 |
Изменение содержания магния в зерне пшеницы на почве, мелиорированной ДМ, составило 0.165–0.170, в опыте с ДШ – 0.125–0.147%. Разница в опыте с ДМ составила 1.03 раза, в опыте с ДШ – 1.2 раза. Таким образом, можно говорить об определенной стабильности концентрации магния в генеративных органах пшеницы.
Известно, что в растения пшеницы основная масса минеральных элементов поступает до колошения, а репродуктивные органы обеспечиваются элементами питания за счет оттока из листьев и стебля. Наряду с неодинаковой растворимостью мелиорантов, именно перераспределением магния из вегетативных органов в зерно следует объяснять низкую вариабельность его содержания в зерне пшеницы и высокую – в вегетативных органах. В этом убеждает следующее обстоятельство. Содержание магния в соломе пшеницы во всех известкованных вариантах опыта с ДМ было больше, чем в зерне. В опыте с ДШ подобная закономерность установлена только в вариантах с применением шлака в невысоких дозах (0.1–0.375 Нг). При известковании ДШ в дозе 0.75–1.0 Нг количество магния в соломе резко возрастало и было больше, чем в зерне. При этом изменение содержания магния в зерне пшеницы в вариантах опыта с известкованием низкими дозами мелиоранта и дозой, соответствующей 1 Нг, было незначительным (0.136–0.145%).
Согласно современным представлениям, формирование элементного состава растений проходит под влиянием генетически обусловленных и экологических факторов. Не все органы растений в одинаковой мере отражают через элементный состав химическую ситуацию в почве. Между элементным составом семян и вегетативных органов существует значительная разница. Содержание и соотношение основных элементов питания в семенах более постоянно. Очевидно, что химический состав генеративных органов в большей степени следует рассматривать как наследственное свойство. Можно утверждать, что растения осуществляют более жесткий генетический контроль за содержанием элементов питания в генеративных органах. Это обеспечивает нормальное функционирование растений на начальном этапе их развития.
Статистическая значимость моделей (3) и (4), описывающих влияние дозы мелиорантов на переход Mg в зерно пшеницы в опыте 1 была не высокой, в опыте 2 – низкой. Ожидаемое изменение концентрации Mg в зерне пшеницы от дозы применения мелиорантов: опыт 1 – ${{{v}}_{3}} = 0.043$, опыт 2 – ${{{v}}_{2}} = 0.0048$; в соломе: опыт 1 – ${{{v}}_{5}} = 0.126$, опыт 2 – ${{{v}}_{6}} = 0.111$% от абсолютно сухой массы растений.
Из неравенств ${{{v}}_{3}} = 0.043$ > ${{{v}}_{4}} = 0.0048$ и ${{{v}}_{5}} = 0.126$ > ${{{v}}_{6}} = 0.111$ можно сделать вывод, что применение ДМ способствовало большему обогащению магнием как генеративных, так и вегетативных органов пшеницы, чем ДШ.
Кальций преимущественно накапливался в вегетативных органах пшеницы (табл. 4). Его концентрация в соломе менялась в зависимости от варианта опыта с ДМ от 0.418 до 0.488%. Максимальным уровнем накопления характеризовался вариант с использованием доломитовой муки в дозе 0.75 Нг. В варианте, удобренном доломитовой мукой в полной дозе, рассчитанной по 1 Нг, содержание кальция было меньше (0.47%). Эмпирическая значимость моделей (9) и (10), описывающих влияние дозы ДМ на концентрацию кальция в соломе пшеницы, была низкой (табл. 5).
В опыте с применением ДШ наблюдали постепенный рост содержания кальция в соломе пшеницы. В большинстве вариантов с ДШ содержание кальция было меньше, чем в аналогичных вариантах с ДМ. Изменение составило от 0.403 до 0.460%. Статистическая значимость модели, описывающая зависимость накопления кальция в соломе от дозы применения ДШ, была высокой.
Содержание кальция в зерне растений было на порядок меньше, чем в соломе. Изменение концентрации в зерне в опыте с ДМ составило от 0.047 до 0.053%, в опыте с ДШ – от 0.047 до 0.058%. Каких-либо закономерностей, связанных с влиянием дозы применения мелиоранта на накопление кальция в зерне пшеницы, выявить не удалось.
Реакция растений на накопление кальция в тканях при внесении доломитовой муки была выражена сильнее, чем на доменный шлак:
Физиологическая роль марганца связана с его участием в окислительно-восстановительных процессах. В качестве элемента, входящего в состав ферментов, он задействован в процессах дыхания, азотном и нуклеиновых обменах. Марганец содержится в тканях всех растений, однако отдельные органы существенно различаются между собой. Известкование, в целом, приводит к осаждению в почвах доступных для растений соединений марганца [12–14].
Данные табл. 4 свидетельствуют, что марганец преимущественно накапливался в вегетативных органах растений. Максимальным уровнем накопления характеризовался вариант с использованием одних минеральных удобрений (419 мг/кг воздушно-сухой массы растений).
Вне зависимости от вида использованного мелиоранта известкование привело к снижению содержания марганца в соломе пшеницы. В большинстве изученных вариантов содержание марганца в опыте с ДМ было меньше, чем в опыте с ДШ. Размах изменений содержания в вариантах опыта с ДМ составил от 419 до 102 мг/кг абсолютно сухой массы растений, т.е. отличался в 4.1 раза, в опыте с ДШ – от 419 до 185 мг/кг. Разница составила 2.3 раза. Коэффициент корреляции между величиной содержания суммы Ca2+ + Mg2+ в почве и содержанием марганца в соломе в опыте 1 был равен r = –0.97, в опыте 2 – r = –0.90.
Эмпирические модели (13) и (14), описывающие влияние возрастающих доз мелиорантов на переход марганца в солому пшеницы, приведены в табл. 5.
Содержание марганца в зерне растений было меньше, чем в соломе. В зависимости от варианта в опыте с ДМ, его содержание варьировало от 41.7 до 54.4 мг/кг, т.е. различалось в 1.3 раза. В опыте с ДШ изменения составили от 40.6 до 127 мг/кг, т.е. отличались в 3.1 раза. Коэффициент корреляции между величинами содержания суммы Ca2+ + + Mg2+в почве и содержания марганца в зерне в опыте 1 был равен r = –0.97, в опыте 2 – r = –0.90. Согласно литературным данным [15], оптимальная величина содержания марганца в зерне меняется от 15–25 до 80 мг/кг сухой массы растений. Таким образом, полученные данные свидетельствовали, что изменения содержания марганца в зерне большинства вариантов с известкованием укладывались в диапазон нормальных концентраций, позволяющих обеспечить нормальное функционирование растений пшеницы.
Сопоставление изменения содержания марганца в генеративных и вегетативных органах в опытах показало, что реакция растений на внесение ДМ оказалась сильнее, чем на ДШ:
Железо – необходимый элемент для роста и развития растений. Участие железа в процессах обмена веществ в растительном организме чрезвычайно обширно и отражается на активности и характере метаболизма потребляемых растениями элементах питания. Этот элемент участвует в переносе электронов и окислительно-восстановительных реакциях, таких как окисление углеводов, восстановление сульфатов и нитратов. Большую роль играет железо в фотосинтезе растений, являясь незаменимым компонентом в составе хлоропластов [16].
Показано (табл. 4), что железо присутствовало как в генеративных, так и вегетативных органах пшеницы. Сравнительный анализ данных содержания железа в зерне и соломе растений позволил установить, что содержание железа в соломе было больше, чем в зерне. В соломе пшеницы, выращенной в опыте с ДМ, изменение его содержания в вариантах составило от 82.1 (контроль) до 67.4 мг/кг в варианте с максимальной дозой мелиоранта. В опыте с ДШ содержание железа в вариантах варьировало от 82.1 до 66.1 мг/кг абсолютно сухой массы. В зерне изменение содержания железа в опыте 1 составило от 56.3 до 62.9 мг/кг, в опыте 2 – от 42.9 до 61.4 мг/кг абсолютно сухой массы.
Согласно литературным данным [16], содержание железа в органах пшеницы, обеспечивающее нормальное функционирование растений меняется от 25 до 80 мг/кг сухой массы растений. Таким образом, содержание железа в зерне в известкованных вариантах укладывалось в оптимальный интервал, необходимый для роста и развития растений пшеницы.
Статистически значимых изменений содержания железа в среднем во всем интервале доз мелиорантов в опытах с ДМ и ДШ не происходило ни в зерне – модели (15) и (16), ни в соломе – модели (17) и (18).
Цинк играет важную роль в азотном, углеродном и фосфорных обменах. Он способствует синтезу нуклеиновых кислот и белка. При недостатке цинка в растениях накапливаются редуцирующие сахара, небелковые соединения азота, органические кислоты, уменьшается содержание сахарозы и крахмала, нарушается синтез белка. Дефицит цинка приводит также к нарушению фосфорного обмена. При недостатке этого элемента в листьях подавляется скорость деления клеток мезофилла, что приводит к морфологическим изменениям листьев. Возрастание рН почвенного раствора, а также увеличение содержания в почве обменных соединений кальция и магния способствует снижению содержания цинка в растениях.
Из всех изученных элементов цинк характеризовался наименьшим накоплением в растениях пшеницы. Вне зависимости от дозы и вида примененного мелиоранта содержание цинка в соломе растений было в 2.6–5.3 раза (опыт 1) и в 2.2–5.0 раза меньше (опыт 2), чем в зерне. Максимальным накоплением цинка характеризовались растения контрольного варианта. Известкование способствовало снижению содержания этого элемента в растениях. Коэффициент корреляции между величинами содержания Ca2+ + Mg2+ в почве и Zn в растениях в опыте 1 был равен r = 0.95 (зерно) и r = 0.89 (солома), в опыте 2 – r = 0 .82 (зерно), r = 0.98 (солома).
Эмпирические зависимости, описывающие переход Zn в зерно и солому пшеницы в зависимости от вида и дозы примененных мелиорантов приведены в табл. 5. Статистическая значимость моделей (19) и (21) перехода цинка в зерно и солому растений в опыте с ДМ была очень высокой, в опыте с ДШ – модели (20) и (22) – низкой. Влияние ДМ на накопление цинка в зерне и соломе пшеницы было значительно сильнее, чем ДШ:
В целом показано, что как ДМ, приготовленная из отсева доломита, так и тонкоразмолотый шлак являются высокоэффективными мелиорантами. Их использование устраняет почвенную кислотность и приводит к обогащению почвы доступными для растений соединениями кальция и магния уже в год применения. Чем больше доза внесения известковых материалов, тем мелиоративный и удобрительный эффекты больше. Силикатная форма мелиоранта (ДШ), внесенная в эквивалентной с ДМ дозах, по влиянию на почву и растения в год применения уступала ДМ.
Возникает вопрос, какова продолжительность растворения мелиорантов карбонатной и силикатной природы. В работах [17–22] было показано, что тонкоизмельченные материалы карбонатной природы довольно активно взаимодействуют с почвой. Например, спустя 1 год после мелиорации доломитовой и известняковой мукой в дозе 1 Нг остаточное количество непрореагировавших карбонатов изменялось от 15.1 до 15.5% от внесенного количества, а полное растворение заканчивалось на 7-й год после известкования [18].
Растворение доменного шлака проходило медленнее. В опытах [23] продолжительность действия полной по Нг дозы металлургического шлака составила 34 года. Действие металлургического шлака на кислотность почвы было слабее, чем известняковой и доломитовой муки, продуктивность сельскохозяйственных культур была больше.
В опытах [24] проведено изучение мелиоративных свойств мелкоразмолотого доменного шлака. Установлено, что даже спустя 39 лет после применения мелкоразмолотого ДШ, он продолжал оказывать положительное действие на почву. Основываясь на данных опытов [23, 24] и в нашем случае следует ожидать длительного последействия ДШ.
ВЫВОДЫ
1. Таким образом, использование доломитовой муки (ДМ) и доменного шлака (ДШ) привело к росту показателя рНKCl в кислой дерново-подзолистой легкосуглинистой почве. Чем больше была доза применения мелиорантов, тем больший сдвиг величины рН достигнут в опытах. Карбонатная форма мелиоранта в год применения более значимо повлияла на изменение рН, чем силикатная форма.
2. Применение мелиорантов способствовало обогащению почвы доступными для растений катионами кальция и магния. Почва, мелиорированная доломитовой мукой спустя 1 год после применения, характеризовалась более высоким содержанием обменных оснований, чем почва, удобренная ДШ.
3. Известкование привело к росту продуктивности растений пшеницы. В вариантах, удобренных ДМ, урожай соломы пшеницы был в 2.3–2.5 раза больше, чем в контроле. Варианты с ДШ, внесенном в равных с ДМ количествах, не уступали вариантам с ДМ. Влияние известкования ДМ на урожай зерна было более значимо, чем доменного шлака. Зависимость урожайности зерна в опытах с ДМ и ДШ от содержания суммы Ca2+ + Mg2+ в почве были статистически значимыми на высоком уровне значимости. Более высокая продуктивность зерна в опыте с доломитовой мукой объясняется большей концентрацией в почве опыта доступных для растений катионов кальция и магния, достигнутой при применении карбонатной формы мелиоранта.
4. Изменения содержания магния в соломе в вариантах опыта с ДМ составили 0.056–0.190%, разница – в 3.4 раза, в вариантах опыта с ДШ – 0.056–0.172%, разница – в 3.1 раза. В зерне, выращенном в опыте с ДМ, содержание магния варьировало от 0.125 до 0.170% (в 1.36 раза), в опыте с ДШ – 0.125–0.147% (в 1.18 раза).
5. Кальций преимущественно накапливается в вегетативных органах пшеницы. Его концентрация в соломе менялась в зависимости от вариантов опыта с ДМ от 0.418 до 0.488%. В большинстве вариантов с ДШ содержание кальция было меньше, чем в аналогичных вариантах с ДМ. Изменения составили от 0.403 до 0.460%. Содержание кальция в зерне было на порядок меньше, чем в соломе. В опыте с доломитовой мукой размах изменений установлен в интервале от 0.047 до 0.053%, в опыте с ДШ – от 0.047 до 0.058%.
6. Во всех опытах известкование способствовало уменьшению поступления марганца и цинка в растения пшеницы. Это было связано как с изменением подвижности микроэлементов при изменении реакции почвенного раствора, так и с конкурентным характером поступления марганца, цинка и Ca2+ + Mg2+ в корни растений.
7. В соломе пшеницы, выращенной в опыте с ДМ, изменение содержания железа в вариантах составило от 82.1 (контроль) до 67.4 мг/кг (вариант с максимальной дозой мелиоранта – 1 Нг). В опыте с ДШ накопление железа в вариантах варьировало от 82.1 до 66.1 мг/кг абсолютно сухой массы. В зерне изменение его содержания в опыте 1 составило от 56.3 до 63.9 мг/кг, в опыте 2 – от 42.9 до 61.4 мг/кг абсолютно сухой массы. Статистически значимых изменений содержания железа в среднем во всем интервале доз мелиорантов в опытах с ДМ и ДШ ни в зерне, ни в соломе не происходило.
8. Содержания Mn и Fe в тканях растений, выращенных на почве известкованных вариантов, укладывались в оптимальный диапазон для роста и развития растений пшеницы.
9. Растения осуществляли более жесткий генетический контроль за содержанием элементов питания в генеративных органах. Содержание и соотношение основных элементов питания в зерне было более постоянным.
10. Разработаны эмпирические зависимости, описывающие влияние возрастающих доз мелиорантов на транслокацию кальция, магния, железа, цинка и маргнанца в зерно и солому пшеницы.
11. Химическая природа мелиорантов была ведущим фактором при достижении эффекта от известкования. Степень измельчения известковых материалов имела второстепенное значение.
Список литературы
Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. 142 с.
Алексеев Ю.В., Вялушкина Н.И. Вопросы загрязнения почв хромом при известковании феррохромовыми шлаками // Химизация сел. хоз-ва. 1991. № 7. С. 21.
Алексеев Ю.В., Вялушкина Н.И., Игамбердиев В.М. Экологические аспекты известкования феррохромовым шлаком // Химизация сел. хоз-ва. 1991. № 9. С. 29.
Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Маслова А.И., Лаврищев А.В. Накопление стабильного стронция сельскохозяйственными культурами при известковании дерново-подзолистых почв конверсионным мелом // Агрохимия. 2000. № 9. С. 80–88.
Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Лаврищев А.В., Бирюков В.А. Разложение конверсионного мела в дерново-подзолистой почве в связи с угрозой ее загрязнения стабильным стронцием // Агрохимия. 2001. № 11. С. 64–68.
Дричко В.Ф., Литвинович А.В., Павлова О.Ю. Накопление стронция и кальция растениями при внесении в почву возрастающих доз конверсионного мела // Агрохимия. 2002. № 4. С. 81–87.
Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Лаврищев А.В., Витковская С.Е. Экологические аспекты известкования почв конверсионным мелом // Плодородие. 2005. № 1(22). С. 23–26.
Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Лаврищев А.В., Алексеев Ю.В., Оглуздин А.С. Химический состав ярового рапса, выращенного на кислых дерново-подзолистых почвах, произвесткованных промышленными отходами // Агрохимия. 2008. № 7. С. 50–55.
Якуч Л. Морфогенез карстовых областей. М.: Прогресс, 1979. 388 с.
Шильников И.А., Васильева С.И. Эффективность металлургических шлаков, как известковых удобрений в зависимости от их структуры // Агрохимия. 1974. № 9. С. 86–94.
Буре В.М. Методология статистического анализа опытных данных. СПб., 2007. 141 с.
Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Маслова А.И., Лаврищев А.В. Динамика почвенной кислотности и содержание подвижных форм соединений алюминия, марганца и железа в почве при известковании конверсионным мелом // Агрохимия. 2000. № 6. С. 10–15.
Литвинович А.В., Ковлева А.О., Павлова О.Ю. Влияние известкования на накопление марганца и железа растениями яровой пшеницы // Агрохимия. 2015. № 5. С. 61–68.
Литвинович А.В., Лаврищев А.В., Буре В.М., Павлова О.Ю., Ковлева А.О., Хомяков Ю.В. Динамика содержания подвижного марганца в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, мелиорируемой различными по размеру фракциями доломита // Агрохимия. 2018. № 8. С. 52–63.
Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 440 с.
Шеуджен А.Х. Биогеохимия. Майкоп, 2003. 1028 с.
Литвинович А.В., Небольсина З.П. Продолжительность действия известковых мелиорантов в почвах и эффективность известкования // Агрохимия. 2012. № 10. С. 79–94.
Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Лаврищев А.В., Буре В.М., Ковлева А.О. Мелиоративные свойства, удобрительная ценность и скорость растворения в почвах различных по размеру фракций отсева доломита, используемого для дорожного строительства // Агрохимия. 2016. № 2. С. 31–41.
Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Лаврищев А.В., Буре В.М., Салаев И.В. Скорость растворения в почвах мелиорантов карбонатной природы (эмпирические модели динамики растворения) // Агрохимия. 2016. № 12. С. 42–50.
Литвинович А.В., Павлова О.Ю. Изменение величины почвенной кислотности в процессе взаимодействия мелиорантов с почвами (по данным лабораторных и вегетационного опытов) // Агрохимия. 2010. № 10. С. 3–10.
Литвинович А.В., Лаврищев А.В., Буре В.М., Павлова О.Ю., Ковлева А.О. Влияние различных по размеру фракций доломита на показатели почвенной кислотности легкосуглинистой дерново-подзолистой почвы (эмпирические модели процесса подкисления) // Агрохимия. 2017. № 12. С. 27–37.
Литвинович А.В., Лаврищев А.В., Буре В.М., Павлова О.Ю., Ковлева А.О. Динамика содержания обменных катионов кальция и магния в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, мелиорируемой различными по размеру фракциями доломита (эмпирические модели процесса подкисления) // Агрохимия. 2018. № 3. С. 50–61.
Зеленов Н.А., Шильников И.А., Аканова Н.И., Швырков Д.А. Резерв химических мелиорантов и их агроэкологическая эффективность // Современные проблемы и перспективы известкования кислых почв. СПб., 2010. С. 30–34.
Небольсин А.И., Небольсина З.П. Теоретические основы известкования почв. СПб., 2005. 252 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.