Содержание к диссертации
Глава Стр.
Введение 4
1. Поведение радионуклидов в агроэкосистемах и оценка возможности 10
регулирования их поступления в продукцию растениеводства за
счет использования биологически активных веществ
1.1. Корневое поглощение радиоцезия растениями 10
-
Физико-химические и биологические факторы, определяющие 11 корневое поглощение радиоцезия растениями
-
Влияние минеральных удобрений на накопление радиоцезия 13 сельскохозяйственными культурами
-
Влияние гумусовых веществ на поглощение Cs почвой 14
1.2. Роль биологически активных веществ (БАВ) в формировании 15
продуктивности сельскохозяйственных культур и развитии
адаптационных возможностей растений к действию стресс-агентов
различной природы
-
Механизмы действия и принципы классификации БАВ 17
-
Фитогормоны как факторы, регулирующие рост и развитие 19 растений
-
Применение фитогормонов и синтетических БАВ в современных 20 технологиях возделывания сельскохозяйственных культур
-
Роль БАВ в формировании устойчивости растений при действии 22 стресс-факторов различной природы
1.3. Обоснование использования гуминовых веществ в земледелии и 24
растениеводстве (физиологические и агрохимические аспекты)
-
Механизмы, лежащие в основе действия гуминовых препаратов 24
-
Защитно-стимулирующие и адаптогенные свойства гуминовых 26 соединений и эффективность их применения в сельском хозяйстве
1.4. Использование БАВ в условиях техногенного загрязнения 28
территории
1.4.1. Роль гуматов в общей системе мероприятий, направленных на 29
снижение накопления радионуклидов сельскохозяйственными культурами
1.5. Заключение 30
2. Условия, объекты и методы исследований 33
-
Объекты исследований 33
-
Агрохимикаты 35
Методы исследовании 36
Схемы экспериментов 39
Статистическая обработка результатов 41
Влияние гумата калия на рост и развитие ярового ячменя сорта 42 Эльф при выращивании в условиях загрязнения почвы Cs Влияние обработки семян гуматом калия на жизнеспособность 43 проростков ярового ячмеия сорта Эльф в условиях действия ионизирующих излучений
Влияние различных способов применения гумата калия на высоту 45 главного побега ярового ячменя сорта Эльф при различном обеспечении растений элементами минерального питания Влияние гумата калия на формирование ассимиляционного 52 аппарата растений ярового ячменя, выращиваемого в дерново-подзолистой почве с разной обеспеченностью элементами питания Влияние гумата калия на накопление 137Cs и макроэлементов 58 растениями ярового ячменя сорта Эльф на разных этапах онтогенеза Накопление Cs, К, Са и Mg растениями ячменя на разных стадиях 60 их онтогенеза и в урожае
Влияние гумата калия и способа его применения на накопление 67 1 7Cs и макроэлементов в ячмене при разных условиях его выращивания
Влияние условий выращивания и применения гумата калия на 72 отношение накопление 137Cs и его химического аналога К в биомассе и урожае ячменя
Влияние гумата калия на вынос 137Cs и макроэлементов с урожаем 75 ярового ячменя сорта Эльф
Влияние гумата калия на биомассу растений ярового ячменя при 75 разной обеспеченности почвы минеральным питанием Влияние различных приемов использования гумата калия на 82 урожайность ярового ячменя при разной обеспеченности почвы элементами минерального питания
Вынос 137Cs, К, Са и Mg 85
Заключение 92
Список литературы Ш4
Приложение 126
Введение к работе
В ряду отрицательных факторов, усиливающих агроэкологическое неблагополучие, особое место занимает загрязнение почв радионуклидами и химическими токсикантами. В зависимости от природы техногенных факторов их воздействие на агроэкосистемы может осуществляться как в результате непосредственного воздействия от источника, так и миграции загрязняющих веществ по сельскохозяйственным цепочкам
Загрязнение сельскохозяйственных угодий в результате радиационных аварий (ПО "Маяк», 1957 г., Чернобыльская АЭС, 1986 г., Сибирский химический комбинат, 1993 г.) привело к формированию радиоактивных следов на территории Российской Федерации. От аварии на Чернобыльской АЭС радиоактивное загрязнение затронуло 21 административный субъект, а общая площадь, подвергшаяся загрязнению, составила более 50 тыс. км2.
Одной из задач ведения сельского хозяйства на территориях, подвергшихся радиоактивному загрязнению после аварии на Чернобыльской АЭС, по-прежнему остается необходимость уменьшения содержания долгоживущего радионуклида 37Cs в сельскохозяйственной продукции и, как следствие, снижения дозовых нагрузок на население. Это достигается за счет внедрения системы организационных, агротехнических и агрохимических мероприятий (мелиорация, известкование почв, система удобрений и др.) (Методические указания..., 2005).
Для разработки приемов, направленных па снижение негативных последствий радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий, необходимо совершенствование знаний о процессах и параметрах, регулирующих переход радионуклидов из почвы в растения. Поглощение радионуклидов растениями - сложный метаболический процесс, относящийся к разным аспектам их поведения, затрагивающий отличающиеся по своей природе, но связанные процессы, действующие на различных уровнях. Некоторые из них являются геохимическими и характеризуют удельный удерживающий потенциал почвы и способность почвенных компонентов освобождать радионуклиды в почвенный раствор, тем самым вновь пополняя их концентрацию, снизившуюся из-за миграции или абсорбции радионуклидов растениями. Такие процессы зависят от физико-химических свойств радионуклидов, свойств почвы, а также определяются присутствием и концентрацией стабильных изотопов этих же элементов и/или элементов - химических аналогов и т.д.
Другой аспект проблемы поведения радионуклидов в системе почва-растение и их биологической доступности обусловлен физиологическими процессами, протекающими в растениях, что связано с переходом радионуклидов из почвенного раствора в растения и последующим их перераспределением внутри растений. Радионуклиды не относятся к элементам, необходимым в питании растений, однако некоторые из них являются химическими аналогами жизненно важных химических элементов. В связи с этим, определенные факторы, влияющие на физиологические процессы и изменения интенсивности метаболических процессов в растениях, могут оказывать влияние и на процессы накопление радионуклидов в различных частях растений.
Внесение в почву удобрений являются причиной нарушения равновесия почва -почвенный раствор, в результате чего изменяется перераспределение радионуклидов между почвой и жидкой фазой. Эти процессы увеличивают концентрацию в растворе ионов, конкурирующих с радионуклидами при поглощении питательных веществ из почвы растениями, что дает возможность регулировать поступление загрязняющих веществ в сельскохозяйственную продукцию.
В России, применение защитных мероприятий в первый год после аварии позволило примерно в 2,2 раза уменьшить поступление Cs в продукцию растениеводства на загрязненных территориях (Алексахин, 1993; Ратников и др., 1992). Однако, существуют некоторые ограничения эффективности таких мероприятий, как внесение удобрений и других химических мелиорантов в почву. Это связано с реальным плодородием почвы (эффективность применения контрмер обычно намного ниже на плодородных почвах, чем на бедных) и уменьшается со временем, прошедшим после выпадения радиоактивных веществ.
Необходимым звеном технологий возделывания сельскохозяйственных культур является большая группа химических веществ, таких как пестициды. В последние время все большее внимание уделяется внедрению в сельскохозяйственное производство современных средств защиты, позволяющих поддерживать стабильность агроценозов на высоком уровне. Их применение направлено не только на увеличение урожая, но и, главным образом, на повышение устойчивости растений к биотическим и абиотическим факторам. Такие химические вещества являются физиологически активными и, различаясь по цели действия и/или способу применения, воздействуют на физиологические и метаболические процессы в растениях, что на радиоактивно загрязненных почвах может привести к изменению поглощения радионуклидов корневой системой и к перераспределению их между различными частями сельскохозяйственных культур.
Известно большое число препаратов, действующих на метаболизм растений, изменяющих интенсивность ростовых процессов и темпы развития, что в конечном итоге отражается и на их продуктивности. Действие биологически активных веществ (БАВ) носит специфический многофакторный характер, конкретное проявление которого зависит не только от химической природы соединения, но и от биологических особенностей культуры и условий выращивания растений.
Интерес к гумииовым препаратам, получаемым из природного сырья (торф, бурый уголь, сапропель), возник в разных странах еще в 60-е годы, и сохраняется до настоящего времени в связи с тем, что доступные и дешевые гуматы являются высокоэффективными стимуляторами роста и развития сельскохозяйственных культур при использовании в небольших дозах (200-300 г/га). В многочисленных исследованиях, выполненных российскими (Христева Л.А., 1973; Горовая А.И., 1984; Гельцер Ф.Ю., 1990; Орлов Д.С. и др., 1993; Озерцковская О.Л., 1994; Безуглова О.Н., 2003; Шаповал О.А., 2005; и др.) и зарубежными (Paleg L. G., 1961; Zicchmann W, 1976; Jacsonetal., 1978; УорингФ., Филипс Н., 1984; Никелл Л. Дж., 1984) учеными, показано, что под влиянием физиологически активных гумусовых веществ повышается сопротивляемость растений к неблагоприятным условиям среды различной природы.
Перспективность применения гуматов в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур связана также с возможностью регулирования усвоения элементов минерального питания в ходе развития растений. С одной стороны, в связи с удорожанием стоимости минеральных удобрений и ростом расходов на их транспортировку, использование гуминовых соединений представляет экономический интерес с точки зрения нормы внесения удобрений. С другой стороны, влияние гумусовых веществ на эффективность усвоения растениями элемента питания К может изменять накопление в урожае сельскохозяйственных культур его химического аналога 137Cs.
Безвредность для окружающей среды, регуляторные и адаптогенные свойства гуматов позволяют рассматривать целесообразность их применения для получения экологически безопасной продукции растениеводства на территориях с интенсивным техногенным загрязнением, в том числе и радиоактивным.
Цели и задачи исследования:
Целью диссертационной работы явилось изучение влияния способов применения гумата калия на накопление и вынос l37Cs и макроэлементов с урожаем ярового ячменя при выращивании его в почвах с разной обеспеченностью элементами минерального питания.
Для реализации поставленной цели необходимо было: изучить влияние гумата калия на динамику накопления 137Cs, его химического аналога К и макроэлементов (Са и Mg) растениями ячменя в онтогенезе (30- и 60-ти суточные растения, солома, зерно); выявить различия в эффективности разных способов применения гумата калия и внесения в почву элементов минерального питания (К и N в аммонийной форме) на процессы транспорта Cs и макроэлементов (К, Са и Mg) из почвы в растения ячменя; оценить влияние гумата калия на вынос 7Cs и макроэлементов (К, Са и Mg) с биомассой и урожаем ячменя.
Научная новизна работы; впервые в рамках комплексного эксперимента дана оценка влияния разных способов применения гумата калия (предпосевная обработка семян и опрыскивание растений в фазу кущения) и внесения в почву калия и аммонийного азота на динамику накопления Cs и макроэлементов (К, Са и Mg) растениями ячмеїи в онтогенезе; установлено превалирующее значение почвенных факторов регулирования поглощения растениями 137Cs (внесение К и аммонийного N) по сравнению с механизмами, определяющими его поступление за счет изменения скорости и направленности метаболических реакций (применение гумата калия на разных стадиях развития растений); впервые показано, что приращение биомассы и урожая ячменя под влиянием применения гумата калия не обязательно сопровождается снижением удельной активности 137Cs в растениях; установлена более высокая способность гумата калия изменять поглощение 137Cs растениями ячменя на менее обеспеченных К и аммонийным N почвах, и модификация эффекта калийных удобрений на фоне применения препарата; - впервые дана оценка выноса Cs, К, Са и Mg с биомассой растений на различных стадиях их развития и с урожаем ячменя.
Практическая значимость работы:
Применение гумата калия при выращивании ячменя в условиях радиоактивного загрязнения почвы с целью поаышения продуктивности культуры целесообразно при различной степени обеспеченности почвы элементами минерального питания, однако наиболее эффективно при недостатке, как К, так и N. Использование препарата приводит к изменению накопления 7Cs и распределения его в различных частях растений, в зависимости от обеспеченности почвы К и N, что необходимо учитывать при оценке выноса радионуклида с урожаем и расчета коллективной дозы облучения населения. Предложения по использованию гумата калия в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур отражены в «Методических указаниях по получению экологически чистой сельскохозяйственной продукции на техногенно загрязненных территориях, 2005».
Положения, выносимые ця защиту:
Применение гумата калия Яри выращивании ячменя в дерново-подзолистой почве приводит к изменению поступления Cs и макроэлементов (К, Са и Mg) и их распределения между вегетативными и генеративными органами растений.
Накопление l37Cs в биомассе и урожае ячменя зависит от уровня обеспеченности почвы элементами минерального питания и способа применения гумата калия, и отличается на разных этапах онтогенеза растений.
Вынос 137Cs, К, Са и Mg с ячменем зависит от уровня обеспеченности почвы элементами минерального питания, способа применения гумата и определяется соотношением скоростей двух процессов: прироста биомассы и корневого поглощения ионов.
Публикации и апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы представлены на III Съезде по радиационным исследованиям «Радиобиология, радиоэкология», Киев, 2003; международной научно-практической конференции «Экологические проблемы сельскохозяйственного производства», Воронеж, 2004; 6-й международной научной конференции «Экология человека и природа», Москва-Плес, 2004; 3-ей международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы -биофилы в окружающей среде», Семипалатинск, 2004; 2-ой международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами», Тула, 2004; международной научно-практической конференции, посвященной 30-летию со дня основания Смоленского сельскохозяйственного института «Наука - сельскохозяйственному производству и образованию», Смоленск, 2004; V Съезде. по радиационным исследованиям «Радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность», Москва, 2006; International Workshop „Soil protection strategy - needs and approaches for policy support" Pulawy, Poland 2006.
По материалам диссертации опубликовано 12 работ и 3 находятся в печати.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа выполнена в рамках ряда тем и заданий в соответствии с планом фундаментальных и прикладных исследований по Программе РАСХН.
Диссертация состоит из введения, обзора литературных данных и 4-х глав, в которых описаны материалы и методы исследований, а также собственные результаты исследований и их обсуждение. Кроме того, в диссертации представлены Заключение, Выводы, список цитируемой литературы и Приложение.
Диссертация изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков, 16 таблиц и Приложение, включающее 14 таблиц. В списке цитируемой литературы 267 источников, в том числе 244 отечественных и 23 иностранных авторов.
Автор выражает благодарность научным руководителям работы доктору биологических наук Ульяненко Л.Н. и доктору биологических наук Круглову СВ. за постоянную помощь в работе. Выражаю также благодарность коллективу лаборатории №5 ВНИИСХРАЭ за помощь в подготовке и проведении экспериментов.
