Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Значение гуминовых соединений в экологии почв и питании растений 9
1.1 Источники и способы извлечения гуминовых кислот 9
1.1.1 Природные источники гуминовых кислот и общие принципы гуму-сообразования 9
1.1.2 Выделение гуминовых кислот
1.2 Структура и свойства гуминовых кислот 16
1.3 Функции гуминовых кислот в почве 31
1.4 Роль гуминовых кислот в минеральном питании и развитии растений 33
1.5 Эффективность удобрений на основе гуминовых соединений 39
Глава 2 Объекты, условия и методика исследований 49
Глава 3 Химический состав торфогуминовых препаратов 58
3.1 Анализ торфа 58
3.2 Получение торфогуминовых препаратов 60
3.3 Анализ препаратов
3.3.1 Содержание растворимых солей в препаратах 61
3.3.2 Выделение гуминовых кислот из препаратов, их состав и свойства 65
Глава 4 Оценка биологической активности торфогуминовых препаратов в лабораторных условиях и на гидропонике 77
4.1 Биологическая активность препаратов для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур 77
4.1.1 Влияние препаратов на энергию прорастания семян моркови и томатов 78
4.1.2 Стимулирующее действие препаратов под зерновые культуры и картофель 84
4.2 Влияние гуминового препарата на рост и развитие картофеля в гид ропонных условиях 90
Глава 5 Влияние торфогуминовых препаратов на рост и развитие растений в полевых условиях 107
5.1 Влияние торфогуминовых препаратов на потребление элементов питания, урожайность и качество клубней картофеля 107
5.2 Влияние препаратов на потребление элементов питания, урожайность и качество корнеплодов моркови 115
5.3 Влияние препаратов на потребление элементов питания, урожайность и качество плодов томатов 120
Глава 6 Окупаемость дополнительных затрат на внесение препаратов под культуры 126
Выводы 129
Рекомендации производству 131
Список литературы 1
- Выделение гуминовых кислот
- Эффективность удобрений на основе гуминовых соединений
- Содержание растворимых солей в препаратах
- Влияние гуминового препарата на рост и развитие картофеля в гид ропонных условиях
Выделение гуминовых кислот
Гуминовые кислоты (ГК) - это смесь высокомолекулярных органических соединений. Они считаются основной составляющей гумусового вещества почвы, включающего ГК, фульвокислоты и гиматомелановые кислоты, которые различаются по атомным отношениям Н:С, степени окисленности и растворимости в воде и органических растворителях (Орлов и др., 1996). Присутствие в почве ГК обуславливает её плодородие, что связывают с созданием благоприятных условий для нормального развития растений и микроорганизмов (Попов, Чертов, 1997).
Основными природными источниками ГК являются торф и бурые угли различной степени выветривания. Согласно энциклопедическим данным (Б.С.Э., 1972), содержание ГК в торфах может достигать 50% от общей органической массы, причём оно изменяется по мере увеличения степени разложения торфа. Максимальное содержание ГК относится к низинным торфам, минимальное - к верховым (Киселёва, Голикова, 1986). В выветрившихся бурых и каменных углях доля ГК колеблется от 0 до 100% органической массы, в зависимости от степени выветривания. В почвенных слоях наибольшее количество ГК присуще чернозёму, особенно чернозёму типичных и лугово-чернозёмных почв: до 13-18% (Роде, Смирнов, 1972).
Известно, что необходимым условием гумусообразования является непрерывное поступление в почву различных органических остатков с их последующей трансформацией в ходе почвенных микробиологических процессов (Фирсова и др., 1993). Основным источником таких остатков являются отмершие растения (Conti и др., 1997; Flaig, 1978; Shindo и др., 1986; Minderman, 1979). Растительное происхождение ГК подтверждается тем, что почвенный гумус содержит до 20-30% углеводных компонентов (Сафонов, 1997), углеводы входят во все группы гуминовых веществ (ГВ). Другим источником органических остатков являются компоненты нефтяных отходов, пестициды (Stearman и др., 1989; Clapp и др., 1997), почвенные мелиоранты и другие вещества, синтезированные промышленным способом (Тейт, 1991; Dec, Bollag, 1988; Chen и др., 1992; Mora, Canales, 1995). Процесс гумификации в обоих случаях заключается в том, что как сложные, так и сравнительно простые соединения преобразуются в очень устойчивые фракции органического вещества почвы - гумус.
Считается, что микробиологическое разложение органических остатков протекает по двум основным направлениям: первое - "минерализация до конечных продуктов с выделением минеральных элементов, СОг и воды". Второе - "разложение с прохождением стадии гумификации, обеспечивающее синтез биологически устойчивых органических соединений сугубо почвенной природы - гуминовых кислот, активно взаимодействующих с минеральной частью почвы" (Фирсова и др., 1993).
Одним из факторов, определяющих протекание процессов гумификации, является кислотность почвы. Показано, что развитие гумификации тормозит кислая реакция среды, "вследствие подавления деятельности бактерий, так как большинство из них не развивается в почве при рН 4,5- 5" (Григорьева, 1995).
Принято считать, что процессы гумификации объясняются способностью ряда веществ, получающихся в результате микробиологической "переработки" органических остатков, "к реакциям частичного окисления, полимеризации и уплотнения или взаимной конденсации" (Тейт, 1991; Туев, 1989). Существует несколько теоретических схем формирования ГВ. Основные из них были обобщены Стивенсоном в 1982г. и приведены на рис. 1.
Многие годы считалось, что все ГВ (и ГК в том числе) образуются из лигнина - вещества растительного происхождения. Приверженцами такого механизма формирования ГВ подразумевается (Flaig, 1966; Kogel-Knabner и др., 1991), что лигнин является родоначальником ароматических компонентов органического вещества почвы. В процессе гумификации его структура постепенно преобразуется с увеличением количества углеродных заместителей и карбоксильных функциональных групп.
Согласно классической теории, популяризованной Ваксманом (цит. по Flaig, 1967), лигнин не полностью перерабатывается микроорганизмами и остатки частично переходят в почвенный гумус (схема 1 на рис. 1).
Изменения в лигнине включают потерю метоксильных групп с образованием о-гидроксифенола и окисление алифатических боковых цепей до образования СООН-групп. Модифицированный материал подвергается дальнейшим изменениям с образованием сначала ГК, а затем фульвокислот, как продуктов частичной биодеградации ГК. В качестве обоснования данной теории предлагалось сравнение ряда свойств ГК и лигнина, подчёркивающее их сходство.
Большинство современных исследователей отдают предпочтение механизмам, включающим хинон (схемы 2 и 3 на рис. 1). В первом случае (схема 2 на рис. 1) лигнин всё ещё играет важную роль в синтезе гумуса. Согласно этой схеме фенольные альдегиды и кислоты, высвобождающиеся из лигнина, в процессе микробиологического разложения претерпевают ферментативное превращение в хиноны, которые затем полимеризуются в присутствии аминосоединений с образованием гуминоподобных макромолекул. Второй путь формирования ПС (схема 3 на рис. 1) отчасти подобен первому, за исключением того, что полифенолы синтезируются микроорганизмами из нелигниновых источников углерода (например, целлюлозы). Затем полифенолы ферментативно окисляются до хинонов и превращаются в ГВ.
Мнение, что гумус формируется из Сахаров (схема 4 на рис. 1) относится к первым дням химии гумуса. В соответствии с этой концепцией, редуцируемые сахара и аминокислоты, образованные как побочный продукт микробного метаболизма, подвергаются полимеризации до образования азотсодержащих полимеров. Исходная реакция в конденсации аминосахаров включает присоединение амина к альдегидной группе сахара. Впоследствии предполагается фрагментация и образование карбоновой цепочки альдегидов и кетонов, дегидратация и образование восстановленных и гидроксиме-тилированных фурфуролов.
Все эти соединения обладают высокой реакционоспособностью и легко полимеризуются в присутствии аминосоединений с образованием коричнево-окрашенных продуктов. Привлекательная особенность этой теории в том, что сахара и аминокислоты в изобилии продуцируются в процессе жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и данная схема может осуществляться в любой почве, тогда как синтез ГК с участием полифенолов преобладает только в определённых лесных почвах. Основная идея этой теории заключается в том, что реакция протекает медленно при температуре ниже нормальных почвенных условий. Однако, резкие и многократные изменения в почве (заморозки и оттепель, дожди и засуха), а также смешение реагирующих веществ с минералами могут иметь каталитические свойства и способствовать протеканию конденсации.
Эффективность удобрений на основе гуминовых соединений
Присутствие в среде корневого питания ионодисперсных форм ГК помогает растению легче переносить неблагоприятные внешние условия. В условиях, не отвечающих привычным требованиям растения, внесение усвояемых форм гуматов должно усиливать активность окислительной системы и улучшать процессы дыхательного газообмена. Это, в свою очередь, приводит к усилению ферментативных синтезов и более активному поступлению питательных элементов в растение. Усиление поступления элементов питания, в особенности фосфора, и активизация обмена веществ в начальный период развития растений регулирует все процессы жизнедеятельности растения и, прежде всего, стимулирует развитие его корневой системы (Антонова, 1997). Этим обуславливается лучшее использование комплекса факторов почвенного плодородия. Всё это сказывается на дальнейшем ходе развития растений, накоплении их сухой массы и обуславливает формирование более высокого урожая с улучшенными качественными показателями продукции по сравнению с вариантами без использования гуматов (табл. 1): увеличивается количество моно- и дисахаров, витаминов, повышается содержание белков в основной продукции и улучшается её качество по аминокислотному составу (Wallschlager и др., 1996; Пироговская и др., 1993).
Таким образом, стимулирующее влияние ГК по отношению к различным сельскохозяйственным культурам является очевидным. Поэтому прямое практическое значение имеет изучение физиологического действия ГК в зависимости от условий их применения.
Многолетняя практика показывает, что увеличение урожайности сельскохозяйственных культур невозможно без применения удобрений. Интенсивные технологии возделывания культур сопровождаются высоким выносом основных элементов питания и снижением содержания гумуса, что ведёт к разрушению структуры почвы, уплотнению почв и значительным ухудшениям водно-воздушного и питательного режимов почвы (Титова, Когут, 1991). К тому же, применение современных химических методов защиты растений (пестицидов, гербицидов и пр.) способствует их накоплению в верхнем, плодородном слое почвы. Вносимые ядохимикаты способны нака 40 пливаться в почве и производимой продукции в значительных количествах, негативно влияющих на почвенную микрофлору и произрастающие на загрязнённом участке культуры. Более того, эти ядохимикаты могут проникать в продуктивную часть растения, что не может не сказаться впоследствии на здоровье употребивших такие продукты в пищу человека и животных.
В связи с этим встаёт вопрос о производстве удобрений и препаратов, способствующих восстановлению плодородного слоя почвы с одновременным повышением урожайности возделываемых культур. В этом случае одним из наиболее доступных средств являются гуминовые препараты (ГП), так как известно, что входящие в их состав ГК обладают способностью прочно связывать в свою структуру тяжёлые металлы и различные органические загрязнения, обуславливая их детоксикацию (Klocking, 1980; Варшал и др., 1993; Перминова, 1998; Орлов и др., 1995). К тому же, при использовании активных веществ гумусовой природы отмечается повышение эффективности вносимых минеральных удобрений (Ларина и др., 1968; Вадкина и др., 1980). На поступление элементов питания в растение влияют не только их форма и наличие в среде корневого питания, а и осмотическое давление, присутствие в почвенном растворе токсичных ионов, доступ кислорода к корням и другие факторы. Учитывая известные свойства ГК, можно предположить, что они влияют на реакцию растений, вызывая существенные сдвиги в обмене веществ растительного организма. Исследования показывают, что между минеральным питанием и стимулирующим влиянием гуматов существует определённая связь. Она выражается в том, что ГВ способствуют более полному использованию минеральной пищи, в особенности тогда, когда условия минерального питания отклонены от нормы. Поскольку общеизвестна высокая физиологическая значимость минеральных элементов питания в жизни растений (Ермохин, 1981; Гайсин, 1984; Ягодин, 1989; Спицина -1984, 1992, 1995; Ильин, 1982; Вендило и др., 1991), ГП имеют большие перспективы при внесении их в почву с минеральными удобрениями. Гуматы прежде всего усиливают рост корневой системы, а затем и надземной части растений. При этом в растениях активизируются процессы обмена веществ, усиливается поглощение жизненно-необходимых элементов питания. В итоге это приводит к повышению урожайности сельскохозяйственных культур, ускорению созревания, устойчивости к болезням и улучшению качества продукции.
Первые в нашей стране методические рекомендации по применению гуминовых удобрений под различные сельскохозяйственные культуры были разработаны Днепропетровским сельскохозяйственным институтом под руководством доктора с/х наук Христевой Л.А. (1980). Биологической активностью обладают только водорастворимые формы гуминовых кислот. Стимулирующие растворы можно готовить как из безбалластных гуминовых препаратов, так и из препаратов, содержащих зольные элементы. Публикации, посвященные изучению биологической активности таких удобрений, отличаются многообразием применяемых концентраций и способов их внесения (замачивание семян; припудривание, опрыскивание и полив растений), а также широким диапазоном обрабатываемых культур: картофель (Пироговская и др., 1993), томаты (David и др., 1994), морковь (Sanders и др., 1990), капуста (Heckman, 1994) и др.. Авторы статей подчёркивают высокую эффективность ГП, повышающих качество и урожайность сельскохозяйственных культур по сравнению с опытами, проводимыми без введения стимулирующих веществ (табл. 2). Препараты повышают урожайность на 20-75%, в зависимости от культуры.
Содержание растворимых солей в препаратах
Оценка эффективности полученных препаратов в лабораторных условиях показала, что семена испытанных культур по-разному отзываются на стимулирующее действие гуматов. Как видно из табл. 14, для семян томатов и моркови наиболее оптимальными были препараты, полученные с использованием в качестве экстрагента растворов КОН.
Поэтому в дальнейшем получение торфогуминовых экстрактов осуществлялось только с применением растворов едкого кали для создания необходимого рН экстрагирующего раствора. Результаты оценки биологической активности препаратов, полученных обычной щелочной экстракцией и экстракцией с применением дополнительных способов физико-химического воздействия на гуминовый комплекс торфа, представлены в табл. 15-16. Разведения производились от исходных препаратов концентрацией ГК, ГК Н202, НТК и ГКК 3,5г/л, ГКУЗ 2,8г/л.
Согласно данным, представленным в табл. 15 и 16, наиболее эффективными являются препараты, полученные с ультразвуковой обработкой торфа, окислением торфа раствором азотной кислоты и щелочным гидролизом коллоксилина; Слабое стимулирующее действие препарата, полученного окислением торфа раствором пероксида водорода, по-видимому, может быть объяснено высоким содержанием балластных веществ, которые дезактивируют ГК. Указанные препараты проявляют стимулирующее действие по отношению к семенам, увеличивая относительную энергию их прорастания на 20 40%. Стимулирующее действие препаратов, подвергшихся дополнительной физико-химической обработке, наиболее выражено в опытах с семенами моркови, как более прихотливой культуры. Концентрации препаратов: ГК -5мл/л, ГКУЗ - 1-2мл/л, НТК и ГКК - 1мл/л оказывают примерно одинаковое стимулирующее действие на семена, увеличивая энергию прорастания на 20-28%. Таким образом, по результатам лабораторных исследований установлены наиболее эффективные концентрации препаратов под морковь и томаты: ГКУЗ - 2мл/л, НТК - 1 и 2мл/л, ГКК - 1 и 2мл/л (что соответствует для ГКУЗ 5,6мг/л, для НТК 3,5 и 7мг/л, для ГКК также 3,5 и 7мг/л) и определена слабая отзывчивость этих культур на препарат ГКН2О2.
Минеральное питание растений является одним из наиболее изученных факторов внешней среды, которые могут регулироваться человеком. В настоящее время важнейшей задачей для сельского хозяйства является повышение коэффициента использования минеральных удобрений и питательных веществ почвы, так как простое увеличение доз вносимых солей выше определённого предела заметного эффекта не даёт (Афонина, 1995). Кроме того, необходимо детально исследовать все возможные варианты внесения удобрений, с тем, чтобы определить, при каких условиях минерального питания наиболее эффективны физиологически активные вещества.
Согласно исследованиям Л.А. Христевой (1980), ГВ не являются источниками минерального питания для растений и не заменяют его, а лишь повышают коэффициент использования питательных веществ. Такие удобрения даже при недостаточном увлажнении почвы способствуют лучшему использованию воды и элементов питания. Поэтому на почвах с низким плодородием более целесообразным является применение гуматов на фоне минеральных удобрений или в комплексе с ними.
Учитывая, что в зоне исследований пахотные почвы малообеспечены такими элементами, как цинк, кобальт, молибден и другие, была изучена эффективность применения гуминовых препаратов в комплексе с набором микроэлементов. Получение препаратов с микроэлементами осуществлялось введением в щелочной экстракт торфа хлорида кобальта, сульфатов магния, марганца и цинка, борной кислоты, молибдата аммония и йодида калия. Для предотвращения выпадения в осадок комплексов были приготовлены два раствора солей, объёмом по 500мл каждый.
Определяющее значение на усвояемость микроэлементов имеет их растворимость, поэтому следующим этапом исследования стало определение химической совместимости раствора микроэлементов со щелочным экстрактом торфа. При смешении раствора микроэлементов с торфогуминовым экстрактом образование осадка не наблюдалось, что свидетельствует о сохранении растворимой формы элементов. Получение такого комплексного препарата с большим набором микроэлементов важно для почв, которые одновременно характеризуются низкой обеспеченностью рядом элементов.
Для приготовления исходного раствора для проращивания семян производили разведение 1:100 (1мл раствора микроэлементов к 100мл щелочного экстракта торфа ГК).
Оценка эффективности полученного комплекса по отношению к семенам моркови и томатов показала, что при введении микроэлементов действие гуминовых препаратов усиливается в среднем на 10-30% (табл. 17). При этом концентрация комплексного препарата ГК с микроэлементами, оптимальная для семян без введения элементов питания, в данном случае является ингибирующей. Таким образом, эффективность использования ГП увели 83 чивается на фоне введения микроэлементов.
Как известно, в начале своего развития растения больше всего нуждаются в элементах питания. Согласно результатам исследования, представленным в табл. 17, введение микроэлементов заметно повышает энергию прорастания семян и существенно сокращает концентрацию исходного препарата.
Ранее в литературе при изучении зависимости между эффективностью применения гуминовых удобрений и возрастным состоянием растений было однозначно показано, что решающим периодом в развитии однолетних сельскохозяйственных культур являются начальные фазы их развития (Афонина, 1995).
В связи с этим ростостимулирующее действие полученных нами тор-фогуминовых препаратов изучалось с использованием клубней картофеля сорта "Луговской", а также путём постановки лабораторных опытов с яровой пшеницей и гречихой на песке. Изучались концентрации препаратов, проявившие наибольшую эффективность в опытах с морковью и томатами: ГКУЗ 5,6мг/л, НТК 3,5мг/л и ГКК 3,5мг/л. В схемы опытов был введён вариант с обработкой семян промышленным торфогуминовым препаратом "Теллура-Био" в рекомендуемой концентрации 10мл/л, что соответствует 31мг/л.
В опытах с картофелем на 6 день проращивания определялась энергия прорастания, на 15-й день - всхожесть клубней. В обоих случаях стимулирующее действие препаратов оценивалось путём замера длины ростков (фото 1, табл. 18). Согласно результатам исследования, картофель чутко реагирует на применение гуминовых препаратов; использование стимуляторов способствует лучшему развитию ростков картофеля на 6-й и 15-й день. Подобное стимулирующее действие препаратов объясняется тем, что гуматы, участвуя в протекании основных биохимических процессов, ускоряют расходование запасных питательных веществ, идущих при прорастании семян, и способствуют их передвижению в ростки.
Влияние гуминового препарата на рост и развитие картофеля в гид ропонных условиях
В опыте с томатами испытывалась эффективность их обработки по таким же вариантам, что и по первым двум культурам (кроме варианта с замачиванием семян). При высадке рассады в грунт в первый месяц роста томатов отмечалось улучшение их приживаемости, образование завязей плодов началось на 5-10 дней раньше контроля.
Урожайность томатов (табл. 30) по вариантам обработок составила 8,8-19,5т/га, при урожайности на контроле 8,8т/га. Наибольшая урожайность формировалась при дву- трёхкратной обработке, особенно с вариантами НТК и ГКК (прибавка от 7,5 до 10,7т/га). Препарат на основе ГКУЗ оказался не эффективным при высокой концентрации, в то время как при низкой произошло увеличение урожайности на 1,5-4,Зт/га. Обработка томатов препаратом "Теллура-Био" привела к повышению урожайности на 0,6-Зт/га, что в 1,5-3,5 раза ниже оптимальных вариантов с полученными препаратами. Отсутствие прибавок и даже некоторое снижение урожайности по вариантам с использованием препаратов с более высокой концентрацией очевидно, может быть обусловлено ингибирующим действием концентраций гуминовых веществ в растворе биостимулятора.
Согласно среднестатистическим данным, основная масса томатов, как и клубней картофеля, представлена водой - её содержание составляет около 92%. В органическое вещество томатов входят белки (-1,1%) и органические кислоты, в основном аскорбиновая (до 25мг/100г).
На данном этапе исследования было изучено влияние доз и сроков внесения полученных торфогуминовых препаратов на изменение основных технологических показателей качества томатов: процент сухого вещества, содержание аскорбиновой кислоты и общую кислотность (табл. 30).
Представленные в табл. 30 данные по содержанию сухого вещества демонстрируют некоторое снижение этого показателя по удобренным вариантам в сравнении с контрольным опытом. Такое снижение процента сухого вещества, возможно, было вызвано неблагоприятными для томатов погодными условиями в июле-августе 2000г., а именно - большим количеством выпавших осадков в течение всего периода плодообразования. Следовательно, внесение гуминовых удобрений по томатам на фоне высокой влагообес-печенности способствует большему накоплению воды в продукции, за счёт которой в основном и получается прибавка в урожае. Об этом же свидетельствует закономерное снижение содержания в томатах аскорбиновой кислоты, при каждой повторной обработке растений, и их кислотности в целом по сравнению с контрольным опытом ( 16,5-17мг/100г - по удобренным вариантам и 18,67мг/100г витамина С - на контроле).
Содержание основных элементов питания в плодах томатов (табл. 31) по вариантам применения препаратов изменялось по сравнению с контролем по-разному - незначительно по калию (2,11-2,47% и 2,71% - на контроле) и азоту (3,31-3,79%) и существенно увеличивалось по фосфору: от 0,28% - на контроле до 0,39-0,52%) - по вариантам применения препаратов. Так же, как и по предшествующим культурам, более стабильное повышение содержания элементов наблюдалось при максимальной обработке посевов. Сказанное свидетельствует, что под влиянием препаратов повышается коэффициент использования растениями томатов питательных веществ почвы. Уровень нитратов (табл. 30) находился в пределах 3,56-4,58мг/кг при содержании на контроле 4,06мг/кг, что не превышало ПДК.
На основании полученных результатов по полевому опыту с томатами в целом, можно сделать следующие выводы. На фоне повышенной влажности в период плодообразования применение гуминовых препаратов в изученных концентрациях незначительно влияет на накопление томатами сухо-го вещества и аскорбиновой кислоты; приводя к улучшению этих показателей посредством обработки растений во время пересадки в открытый грунт, когда они испытывают определённую стрессовую ситуацию, и ухудшая технологические показатели при повторных обработках, за счёт разбавления их процентного содержания увеличением потребляемой томатами влаги.
Таким образом, результаты испытаний в полевых условиях показывают положительное действие торфогуминовых препаратов на развитие всего растительного организма: улучшается всхожесть, ускоряются рост и развитие растений в течение всех фаз развития, поэтому цветение и созревание наступают в среднем на 4-5 дней раньше, чем на контрольных вариантах. В результате более высокого содержания основных элементов питания и накопления сухого вещества по вариантам внесения препаратов по всем культурам получен высокий урожай хорошего качества.
Исследования также показали достоинство препаратов по сравнению с промышленным удобрением "Теллура-Био" в плане применения намного меньших концентраций полученных торфогуминовых препаратов при обработке растений в полевых условиях.
Наибольшей отзывчивостью к гуминовым препаратам отличился картофель; наиболее оптимальными для культур картофеля, моркови и томатов в целом являлись концентрации препаратов, полученных ультразвуковой обработкой торфа - 0,8л/га, его окислением азотной кислотой - 0,4л/га и гидролизом нитроцеллюлозы щелочным экстрактом торфа - 0,4л/га (при трёх- и четырёхкратных обработках посевов).