Введение к работе
Актуальность темы. Почвенный покров – незаменимый компонент биосферы в процессах обмена веществом и энергией, в котором главная роль принадлежит сложной и динамической системе почва-растение (Белых и др., 2007). Распределение веществ в этой системе зависит от многих факторов. Определяющими являются – концентрация вещества в почве, физико-химические свойства, степень подвижности элементов, формы соединений и взаимодействий, обуславливающие уровень миграции и доступности для растений, а также климатические условия среды (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Эти факторы могут не удовлетворять потребностям растений, создавая условия стресса, угнетая их произрастание (Елькина, 2009). В свою очередь растительный организм обладает избирательной спецификой поглощения веществ, присутствующих в окружающей среде, ответных реакций на нехватку или переизбыток элементов питания и обмена, механизмами и уровнем устойчивости (Зырин, Каплунова, Сердюкова, 1985; Алексеев, 1987). Поэтому, перспективным в данном аспекте может быть применение физиологически активных соединений, оказывающих влияние на активизацию механизмов адаптации к химическому составу почвы в определенных климатических условиях (Шакирова, 2001; Прусакова и др., 2005). Кроме того, сведения о содержании и распределении химических элементов в системе почва-растение представляют интерес для обоснования развиваемому в науке направлению структурно-функциональной миграции химических элементов по трофическим цепям (Ильин, 2006). Актуальным является изучение физико-химических свойств и элементного состава почвы, а также особенностей нахождения и распределения элементов в системе почва-растение, находящих отражение в адаптациях растительного организма к условиям среды под влиянием физиологически активных соединений (ФАС).
Цель исследований – изучение содержания и распределения химических элементов в системе почва-растение и активации механизмов адаптации растений под влиянием физиологически активных соединений.
Задачи исследований:
1. Изучить типологию, морфологические особенности, физико-химические свойства почвы и распределение химических элементов в системе почва-растение.
2. Изучить взаимосвязь между содержанием химических элементов в почве и в растениях Triticum aestivum L.
3. Определить степень биологического поглощения ряда химических элементов из почвы вегетативными органами и зерном растений Triticum aestivum L.
4. Рассмотреть влияние почвенно-климатических процессов и воздействия ФАС на функциональные характеристики и элементы продуктивности яровой пшеницы, определить долю вклада факторов в их общую изменчивость.
5. Выявить силу и направление связей коррелирующих признаков зерновой продуктивности Triticum aestivum L. с целью прогнозирования возможности их усиления.
6. Оценить эффективность способов обработки и концентраций растворов ФАС на сортах Triticum aestivum L. с учетом региональных особенностей почвенно-климатических условий.
Научная новизна. Впервые получены новые данные о физико-химических свойствах, элементном валовом и фракционном составе, соотношении и формах химических элементов дерново-мелкоподзолистой остаточно-карбонатной почвы Тобольского района Тюменской области. Определены подвижные формы элементов (As, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Sr, Zn), их значение для Triticum аestivum L. Выявлены активное поглощение ряда химических элементов (Ca, Sr, Cu, Mg, Fe, Mn, Pb) растениями яровой пшеницы и сортовые различия по коэффициентам биологического поглощения. Установлено, что качественный и количественный элементный состав растений изменяется под влиянием физиологически активных соединений. Изучено влияние климатических, эдафических, химических факторов на растительный организм. Изменчивость морфо-физиологических признаков пшеницы на фенотипическом уровне зависит от концентрации и способов применения соединений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Валовое содержание, формы химических элементов в окультуренной остаточно-карбонатной дерново-мелкоподзолистой почве и доступность для растений Triticum aestivum L. обусловлены климатическими условиями, морфологией и физико-химическими свойствами почвы.
2. Количественное распределение элементов в вегетативных органах и зерне зависят от степени биологического поглощения.
3. Активация метаболизма растительного организма посредством воздействия физиологически активными соединениями, способствует повышению биоресурсного потенциала Triticum aestivum L.
Практическая значимость. Результаты исследования состава и свойств дерново-подзолистой почвы могут быть использованы при оценке ее экологического состояния и изменений, данные о распределении химических элементов в системе почва-растение – в мониторинге окружающей среды.
Результаты изучения закономерностей поглощения и распределения химических элементов в растениях, их ответных реакций и механизмов устойчивости неспецифического характера можно использовать для оценки и прогнозирования состояния растительности в условиях антропогенного воздействия. Изучение изменений растений Triticum aestivum L. в культурном фитоценозе под влиянием ФАС может быть положено в основу биоиндикации состояния окружающей среды. Применяемые, инструментальные методы исследования химического состава природных объектов можно использовать при анализе отдельных компонентов ландшафта.
Методы химического анализа почв и растений, определения поглощения элементов из почвенного раствора могут быть использованы в учебном процессе вузов по направлениям «Экология» и «Биология».
Апробация работы. Основные положения диссертации апробированы на научно-практических конференциях: Международных (Тюмень, 2010; Ишим, 2012; Ульяновск, 2012; Москва, 2012; Украина, 2013), Всероссийских (Нижний Новгород, 2008; Тобольск, 2008; Тобольск, 2009; Тобольск, 2010; Тобольск, 2011), Всероссийской с международным участием (Тобольск, 2012), Региональной (Тобольск, 2008), а также на заседаниях кафедры экологии, естествознания и методики преподавания естествознания ФГБОУ ВПО «Тобольская государственная социально-педагогическая академия им. Д.И. Менделеева» (2009-2011 гг.) и кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет» (2013), Ученого совета ТКНС УрО РАН (2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, из них 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 – в зарубежном академическом журнале; 1 – в электронном научном журнале, зарегистрированном в научной базе Web Of Science, 2 коллективные монографии, одна из которых в зарубежном издании Канады и США.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 200 наименований, из которых 35 – иностранных авторов. Объем работы составляет 210 страниц машинописного текста, включает 35 таблиц и 40 рисунков. Приложение состоит из 30 таблиц, 5 рисунков.
Личный вклад соискателя. Лабораторные и полевые опыты, отбор, пробоподготовка, физико-химический и элементный анализ проб растений и почвы, анализ и интерпретация экспериментальных данных, математическая и статистическая обработка результатов выполнены лично Дударевой И.А.
Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность научному руководителю д.с.-х.н., профессору Н.А. Боме за научную и методическую помощь в работе над диссертацией; заведующему лабораторией «Экотоксикология» ТКНС УрО РАН, к.т.н., Г.С. Алимовой за методические консультации в проведении химико-аналитических исследований.
