Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ПРОДУКТИВНОСТЬ ТОПИНАМБУРА ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ЕГО НА ТЕХНОГЕННО ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВАХ

Усанова З.И. 1 Павлов М.Н. 1
1 ФГБОУ ВПО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия»
Обсуждаются результаты двухфакторного вегетационного опыта, проведенного в 2014 г. по выращиванию топинамбура на дерново – подзолистой легко суглинистой почве, искуственно загрязненной экотоксикантами: азотной кислотой (HNO3), серной кислотой (H2SO4) уксуснокислым свинцом (Pb(CH3COO)2), хлористым калием (KCl). Проводили наблюдение за ростом и развитием растений, динамикой образования побегов, листьев; определение содержания растительных пигментов в листьях, интенсивности фотосинтеза. При уборке урожая учитывали сырую массу ботвы, клубней, корней; содержание сухого вещества в ботве и клубнях; сырой клетчатки и суммы сахаров в клубнях. Выявлено положительное влияние азотной кислоты на рост, развитие и урожайность топинамбура вследствие улучшения азотного питания растения.Негативно влияет внесение серной кислоты и хлористого калия при повышенных дозах (3 и 9 ПДК). При этом снижается урожайность (при 3 ПДК) и наблюдается гибель растений (при 9 ПДК). Токсикация почвы уксусно – кислым свинцом, в том числе до 9 ПДК не оказывает отрицательного влияния на формирование урожайности топинамбура, повышает содержание в клубнях сухого вещества и сахаров.
топинамбур
фитомелиорант
загрязнение почвы
экотоксикант
поллютант
азотная кислота
серная кислота
уксуснокислый свинец
хлористый калий
сахар
протеин
клетчатка
1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2010 году». Москва, 2012. 171 с.
2. Дмитраков Л.М., Дмитракова Л.К. Фитоэкстракция свинца из загрязненной серой лесной почвы//Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования:мат. Всерос. с межд.уч.конф. (Петрозаводск–Москва, 13–18 августа 2012 г.). Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2012. Кн. 2. С.240-241.
3. Зеленков В.Н. Топинамбур: агробиологический портрет и перспективы инновационного применения / В. Н. Зеленков., Н. Г. Романова. М: РГАУ-МСХА, 2012. 161 с.
4. Кахнович Л.В. Фотосинтез. Минск: Изд.БГУ, 2002. 168 с.
5. Клечковский В.М., Петербургский А.В. Агрохимия: Учебник. М:Колос, 1964. 527 с.
6. Лаврова Г.П., Зоотехнический анализ кормов: учебное пособие к лабораторным занятиям для студентов зооинженерного факультета по специальности 310700 – «Зоотехния» / Г.П. Лаврова, Е.И. Машкина. Барнаул: АГАУ, 2006. 30 с.
7. Солдатова Н. А., Хрянин В. Н. Влияние соли свинца на ростовые процессы у растений Cannabissativa L.// Известия Пензенского государственного педагогического университета им. В.Г. Белинского.2008. № 10. С 215 – 218.
8. Третьяков, Н.Н. Практикум по физиологии растений / Н. Н. Третьяков, Т. В. Карнаухова, Л. А. Паничкин и др. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромпздат, 1990. 271 с.
9. Усанова, З.И. Формирование высокопродуктивных агроценозов топинамбура: особенности минерального питания, удобрение: монография / З.И. Усанова, Ю.В. Байбакова. Тверь: «АгросфераА» Тверская ГСХА, 2009. 159 с.
10. Хохлова, О.Н. Введение в химическую экологию Ч.2.Загрязнение окружающей среды.Воронеж: Издательско-полиграфический центр ВГУ, 2010. 120 с.

К числу приоритетных направлений развития аграрной науки и научного обеспечения АПК регионов страны относятся: получение биологически чистой (органической) продукции растениеводства и возвращение в сельскохозяйственный оборот земель, загрязненных различными поллютантами. Оба эти направления взаимосвязаны. Главными антропогенными источниками химического загрязнения почв являются промышленность, транспорт и сельское хозяйство. Даже в сравнительно благополучной в экологическом отношении Тверской области объем выбросов различных загрязнителей достаточно большой. По данным Минприроды РФ в 2010 году общий выход диоксида серы по области составил 3,5 тыс.т., оксидов азота - 15,7 тыс.т. [1].Вдоль крупных автомобильных дорог обнаружено 30 - кратное превышение уровня свинца по сравнению с содержанием (20 мкг/г) в незагрязненных районах. Выявлено, что в сельском хозяйстве бесполезно теряется до 30 - 50 % всех вносимых минеральных удобрений, что загрязняет непосредственно почву и поверхностные воды биогенными элементами и балластными веществами [10].

В связи с этим актуальным является поиск культур, устойчивых к поллютантам и способных отвечать требованиям естественных фитомелиорантовтехногенно загрязненных почв. К таким культурам может быть отнесен топинамбур (Helianthustuberosus L.). Ряд авторов к числу ценных биологических и хозяйственных свойств его относят способность произрастания на почвах, загрязненных тяжелыми металлами и другими экотоксикантами, рекультивации почв, выведенных из сельскохозяйственного оборота при добыче угля, нефти, бывших карьеров, свалок и других брошенных земель [3]. Однако в Центральном регионе страны, в частности, на загрязненных дерново - подзолистых почвах Верхневолжья, подобных исследований не проводилось.

Цель наших исследований - изучить особенности формирования урожайности и качества урожая топинамбура на дерново - подзолистых почвах, искусственно загрязненных в разной степени азотной, серной кислотой, ацетатом свинца и хлористым калием; выявить устойчивость топинамбура к этим поллютантам.

Материалы и методы исследования

Исследования проводили в 2014 г. в двухфакторном опыте в вегетационных сосудах.

Для набивки сосудов использовали дерново - среднеподзолистую остаточную карбонатную глееватую почву на морене, легкосуглинистую по гранулометрическому составу, в которой содержалось: гумуса (по Тюрину) - 1,51 %, P2O5 - 358 и K2O 95 мг/кг (по Кирсанову), Nлг 44,8 мг/кг (по Корнфилду), pHсол - 4,9.

Схема опыта: Фактор А - Тип загрязнения: 1.Контроль (без загрязнения), 2.Азотная кислота - HNO3 (ПДК = 130 мг/кг), 3.Серная кислота - H2SO4 (160 мг/кг), 4.Уксуснокислый свинец - Pb (CH3COO)2 (32 мг/кг), 5.Хлористый калий - KCl (360 мг/кг) (ПДК в соответствии с ГН 2.1.7.2041-06).

Фактор B - Интенсивность загрязнения: 1 ПДК, 3 ПДК, 9 ПДК.

Повторность в опыте - четырехкратная. Объект исследований: лучший для Нечерноземья сорт клубневого направления «Скороспелка», авторы Устименко Г.В., Усанова З.И.[9].

Внесение экотоксикантов осуществлялось два раза: ½до посадки (30 апреля), при высоте растений 30 см (24 июня). Способ внесения: полив растворенными в дистиллированной воде соединениями. Сосуды с почвой перед посадкой выровнены по массе (7 кг).Набивку сосудов провели 29, посадку - 30 апреля. В каждый сосуд высаживали по два клубня. В течении вегетации проводили поливы из расчета 400 мл воды на сосуд. Выдерживали одинаковый режим поливов. Учет урожая проведен 17 - 18 сентября.Вегетационные сосуды с растениями находились в вегетационном домике.

В опыте проводили наблюдение за ростом и развитием растений, динамикой образования побегов, листьев; определение содержания растительных пигментов в листьях в ацетоновой вытяжке на спектрофотометре «Grating 722» [8]; интенсивности фотосинтеза по количеству накопленного органического вещества путем «мокрого» сжигания высечек определенной площади, содержание углерода при этом учитывалось титрованием солью Мора [8]. Время измерения - с 9 до 12 часов.

При уборке урожая учитывали сырую массу ботвы, клубней, корней; содержание сухого вещества в ботве и клубнях [9];сырой клетчатки в клубнях [6]; суммы сахаров на рефрактометре ИРФ - 454Б. Для перевода показаний прибора в процент сахаров использовали шкалу Бриггса.

Результаты и их обсуждение

Фитотоксическое действие поллютантов может проявляться в торможении развития и роста растений [2] Нами выявлено, что топинамбур неодинаково реагирует на различные экотоксиканты и их дозы. Азотная кислота при загрязнении почвы до 3 и 9 ПДК благодаря улучшению азотного питания ускоряет развитие растений, способствует образованию бутонов и цветению. В варианте с дозой 3 ПДК бутоны на верхушке стебля появились на 3 дня, на боковых ветвях на 14 дней раньше, чем у контрольных растений, цветение началось одновременно с контролем (30.08). Повышение дозы HNO3до 9 ПДК ускорило наступление этих фаз соответственно на 14, 14 и 11 дней. В контрольном варианте зацвело одно растение из 12-и, а при 3 и 9 ПДК - все растения. В варианте 1 ПДК HNO3, а так же при загрязнении почвы другими поллютантами растения не вступали в фазу бутонизации. Загрязнение почвы KCl задерживало также появление всходов на 1 - 4 дня.

Важнейшим показателем реакции растений на степень загрязнения почвы и вид поллютанта является динамика роста в высоту. Исследованиями выявлено, что в первой половине вегетации до внесения второй половины дозы все поллютанты усиливали рост в высоту (таблица 1), наиболее сильно (в два раза интенсивнее контроля) - серная кислота в дозах 3 и 9 ПДК, уксусно - кислый свинец при 1 ПДК. Ряд авторов [7] также отмечает стимулирующее действие малых доз тяжелых металлов, в частности свинца. Стрессовым для топинамбура оказалось внесение с поливной водой оставшегося (1/2 дозы) количества (до 9 ПДК), HNO3, H2SO4, всех доз Pb (CH3COO)2 и KCl, что значительно снизило суточные приросты, а при 9 ПДК H2SO4 и KCl рост растений прекратился, отмечалось усыхание стебля с листьями и гибель растений. Однако, при 9 ПДК KCl через 30 дней началось вторичное отрастание материнского клубня. После стресса усилился рост растений, особенно в вариантах с 9 ПДК HNO3, 1 ПДК H2SO4, и 1 ПДК KCl. Все это свидетельствует о высокой жизненности топинамбура и устойчивости к кислотным дождям. К уборке наибольшей высоты достигли растения при загрязнении почвы HNO3(всеми дозами), уровня контроля и чуть выше- 1 ПДК H2SO4 , 1-3 ПДК Pb (CH3COO)2, 1-3 ПДК KCl.

Таблица 1

Среднесуточный прирост растений топинамбура в высоту, см.

Вариант

Периоды

Высота при уборке, см

поллютант

ПДК

всходы - 30.05

30.05 - 11.06

11.06 - 24.06

24.06 - 04.07

04.07 - 15.07

15.07 - 08.08

08.08 - 29.08

Контроль

0

1,09

0,53

0,77

0,40

0,54

0,69

0,65

74,50

HNO3

1

1,03

0,66

0,79

0,71

0,41

0,91

0,55

80,50

HNO3

3

1,12

0,79

0,73

0,48

0,75

0,67

0,71

87,25

HNO3

9

1,01

0,83

0,72

0,04

0,91

1,42

0,62

103,00

H2SO4

1

1,15

0,79

0,69

0,50

0,45

0,59

0,73

77,50

H2SO4

3

1,08

1,08

0,50

0,08

0,30

0,27

0,27

55,67

H2SO4

9

0,98

1,01

0,80

0,18

0,00

0,00

0,00

40,00

Pb(CH3COO)2

1

1,09

1,14

0,62

0,49

0,41

0,45

0,68

74,50

Pb(CH3COO)2

3

1,12

0,71

0,80

0,54

0,30

0,89

0,48

77,75

Pb(CH3COO)2

9

0,97

0,84

0,74

0,30

0,59

0,40

0,65

69,75

KCl

1

1,10

0,66

1,00

0,39

0,84

0,61

0,70

74,00

KCl

3

1,04

0,89

0,98

0,14

1,30

0,53

0,21

79,00

KCl

9

0,98

1,08

0,89

0,00

0,00

0,08

0,14

24,00

Загрязнение почвы нитратами одновременно увеличивало листообразование на главном стебле, но тормозило образование побегов. Больше, чем в контроле (5,75) образовалось побегов в варианте с 3 ПДК H2SO4 (6,0 шт.). Загрязнение почвы KCl в наибольшей мере тормозит прорастание почек материнского клубня и развитие побегов, особенно в дозе 9 ПДК.

Рисунок 1. Содержание хлорофиллов и каротиноидов в листьях топинамбура при загрязнении почвы поллютантами в дозе 3 ПДК: 13 августа (слева) и 13 сентября (справа).

Урожай создается в процессе фотосинтеза, важнейшими участниками которого являются зеленые пигменты: хлорофилл А и хлорофилл Б. Основная функция хлорофилла заключается в поглощении световой энергии и преобразовании ее в химическую. Каротиноиды (каротины и ксантофиллы) являются дополнительными пигментами фотосинтетического аппарата, увеличивающими его спектральный диапазон [4]. Наши исследования выявили положительное влияние экотоксикантов на содержание хлорофила и каротиноидов в листьях топинамбура (рисунок 1). Наиболее существенным оно было в вариантах с HNO3 и Pb (CH3COO)2, что характеризует устойчивость топинамбура к этимполлютантам, способность на загрязненных почвах сохранять на достаточно высоком уровне фотосинтетическую деятельность растений и накопление биомассы топинамбура. Более высокой интенсивностью фотосинтеза отличались растения в варианте 3 ПДК HNO3. Так, при определении 15.07. в период с 9 до 12 часов было накоплено ассимилянтов 3,82 мг/см2/час, что в 3 раза больше, чем в контроле (1,27 мг/см2/час).Поэтому при всех 3-х уровнях токсикациии почвы азотной кислотой увеличился урожай ботвы и клубней, в большей мере при 3 ПДК - на 42,98 г/сосуд или на 73,0 %, клубней - на 106,36 г/сосуд (на 166,9 %) (рисунок 2). При этом, общий урожай сырой биомассы (ботва+клубни) увеличился на 149,34 г/сосуд (на 121,8 %), что объясняется улучшением питания растений азотом при насыщении почвы нитратами. При 9ПДК общий урожай был меньше, чем при 3 ПДК, на 58,17 г/сосуд (на 21,6%).На уровне контрольного варианта накоплен общий урожай сырой биомассы при 1 ПДК H2SO4, 3 ПДК Pb (CH3COO)2,1ПДК KCl. Особенно токсичным для топинамбура оказалось загрязнение почвы H2SO4 иKClдо 9 ПДК. При 3 ПДКH2SO4 урожайность в сравнении с контролем снизилась в 3,5, а при 3 ПДК KCl - в 1,4 раза.

Рисунок 2. Урожай сырой (слева), сухой (справа) фитомассы ботвы и клубней при химическом загрязнении почвы, г/сосуд

(НСР05 по сырой массе: ботвы - 3,74, клубней -4,61, общей биомассы - 7,13 г/сосуд).

Рисунок 3. Масса корней топинамбура, г/сосуд.

Фитотоксическое действие высоких доз поллютантов сказывается на формировании корневой системы. Так, масса корней в вариантах 3 и 9 ПДК H2SO4 , 9 ПДК KCl была в 6,1 - 13,4 раз меньше, чем в контроле. Отрицательное влияние на развитие корневой системы оказало так же загрязнение почвы нитратами (HNO3) до 9 ПДК, когда масса корней снизилась в 2,1 раза (рисунок 3).

Для топинамбура как для клубненосного растения особенно важно определить действие экотоксикантов на образование и рост клубней. Исследованиями выявлено наиболее сильное отрицательное влияние на эти процессы загрязнения почвы серной кислотой и хлористым калием, положительное - азотной кислотой. Так, при 1 ПДКH2SO4 и KClв среднем насчитывалось 5,75 и 5,35 клубней (шт/сосуд), в контроле - 7,0 шт., при 3 ПДК - 2,0 и 5,0, а при 9 ПДК клубни не образовались. Наоборот, загрязнение почвы нитратами увеличивало образование клубней на растении в сравнении с контролем в вариантах 1 - 3 - 9 ПДК соответственно на 2,5 - 11,75 - 7,25 шт./сосуд. Следует констатировать, что при снижении числа клубней в вариантах с 1 ПДК H2SO4 и KCl наблюдается увеличение крупности клубней, поэтому урожай клубней сохраняется на уровне контроля.

Действие поллютантов на качество урожая оценивали по содержанию абсолютно сухого вещества, сахаров и клетчатки (таблица 2).

Загрязнение почвы азотной кислотой (1 и 3 ПДК), уксусно - кислым свинцом (1 - 9 ПДК) не оказало отрицательного влияния на содержание абсолютно - сухого вещества и сахаров в клубнях. Напротив, количество сухого вещества увеличилось в сравнении с контролем на 0,24 - 1,8 % в вариантах с 1 и 3 ПДК H2SO4и на 0,4 - 2,0 % с 3 и 9 ПДК Pb(CH3COO)2, а сахаров соответственно на 2,0 - 2,5 и на 0,5 - 3,5 %. Снижение содержания сухого вещества и сахаров в сравнении с контролем произошло при загрязнении почвы азотной кислотой и хлористым калием. В первом случае это не связано с токсическим действием HNO3. Известно, что при оптимальных условиях азотного питания относительное содержание углеводов (крахмала, сахаров) бывает меньше, чем при пониженном (контроль, варианты с KCl), что объясняется более высоким расходом энергии при биосинтезе азотистых соединений, которую растения получают в процессе окисления углеводов [6].

Таблица 2

Влияние загрязнения почв различными экотоксикантами на клубневую продуктивность топинамбура и качество клубней

Вариант

Число
клубней, шт.

Масса
клубней, г

Средняя
масса
клубня, г

Абсолютно сухое вещество, %

Общий сахар, %

«Сырая» клетчатка, % на абс.сух.в-во

Кхоз

поллютант

ПДК

Контроль

0

7,00

63,73

9,10

28,34

21,75

3,21

0,50

HNO3

1

9,50

91,26

9,61

26,20

20,00

4,86

0,51

HNO3

3

18,75

170,09

9,07

28,16

21,25

5,47

0,61

HNO3

9

14,25

124,84

8,76

27,95

18,75

4,16

0,56

H2SO4

1

5,75

60,93

10,60

28,58

23,75

2,28

0,48

H2SO4

3

2,00

17,50

8,75

30,14

24,00

-

0,46

H2SO4

9

Клубни не образовались

 

Pb(CH3COO)2

1

6,25

52,80

8,45

27,53

24,00

3,41

0,44

Pb(CH3COO)2

3

7,50

61,68

8,22

28,48

22,25

1,65

0,51

Pb(CH3COO)2

9

8,75

62,28

7,12

30,34

25,25

1,75

0,53

KCl

1

5,33

58,25

10,92

26,99

19,75

5,51

0,48

KCl

3

5,00

42,18

8,44

24,33

16,50

-

0,49

KCl

9

Клубни не образовались

0,00

0,00

24,73

-

-

0,00

Загрязнение почвы H2SO4 (1ПДК) и Pb(CH3COO)2(3 и 9 ПДК) существенно снижает содержание клетчатки в клубнях.

Наибольший выход абсолютно сухой фитомассы (ботва + клубни) обеспечило насыщение почвы азотной кислотой с максимумом при 3 ПДК (79,14 г/сосуд) (ботва + клубни), прибавка к контролю составила 43,03 г/сосуд или 119,2 %, а наименьший (11,5 г/сосуд) загрязнениеH2SO4до 3 ПДК, кроме вариантов с 9 ПДК H2SO4 и KCl, где растения погибли.

Лучшей направленностью продукционного процесса отличались растения в вариантах с 1 - 9 ПДК HNO3 и 3 - 9 ПДК Pb(CH3COO)2, у которых коэффициент хозяйственной эффективности фотосинтеза (Кхоз) превышал контроль на 0,01 - 0,11 ед, что способствовало повышению урожая клубней относительно надземной массы.

Выводы:

1.Топинамбур отличается повышенной устойчивостью к загрязнению дерново - подзолистой почвы азотной кислотой на уровне 1 - 3 - 9 ПДК. За счет улучшения азотного питания повышается фотосинтетическая деятельность растений, он формирует урожайность выше, чем на незагрязненных почвах: сырой фитомассы на 34,6 - 121,8, сухой 30,8 - 119,2, клубней на 43,2 - 166,9 %. Топинамбур хорошо справляется со стрессовой ситуацией при поливе растений HNO3в дозе ½от 9 ПДК.

2.Токсикация почвы всеми изучаемыми поллютантами до 3 ПДК увеличивает содержание растительных пигментов в листьях земляной груши (хлорофилла А и Б, каротиноидов), в большей мере при загрязнении HNO3, когда их количество в сравнении с контролем возрастает к фазе цветения в 2,5 - 3,8 раза, к концу вегетации в 4,0 - 4,6 раза.

3.Повышенный фитотоксичностью отличаются серная кислота и хлористый калий. При загрязнении почвы до 1 ПДК урожайность топинамбура формируется на уровне контроля, до 3 ПДК - снижается соответственно в 3,5 и 1,4 раза. Доза в 9 ПДК является летальной, при которой растения погибают, но при 9 ПДК KClчерез 30 дней начинается вторичное отрастание материнского клубня.

4.Уксуснокислый свинец при всех уровнях загрязнения почвы менее фитотоксичен, чем азотная кислота и хлористый калий, накапливается урожай сырой, сухой фитомассы близкий к контролю, повышает содержание в клубнях сухого вещества, сахаров.

Рецензенты:

Никольский В.М., д.х.н., профессор, профессор кафедры неорганической и аналитической химии ФГБОУ ВПО Тверской Государственный Университет, г. Тверь;

Тихомирова В.Я., д.б.н., профессор, главный научный сотрудник, ФГБНУ Всероссийский научно - исследовательский институт льна, Тверская обл., г. Торжок.


Библиографическая ссылка

Усанова З.И., Павлов М.Н. ПРОДУКТИВНОСТЬ ТОПИНАМБУРА ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ЕГО НА ТЕХНОГЕННО ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВАХ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=17107 (дата обращения: 26.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252