Введение к работе
В условиях снижения плодородия почв и в связи с постоянно повышающимися ценами на минеральные удобрения значительное внимание должно уделяться поиску новых, в том числе нетрадиционных источников минерального питания. Среди биофильных макроэлементов важное место в жизни растительных организмов занимает кремний. Он играет большую роль в метаболизме растений, слагает их скелетную часть, позитивно воздействует на прочность стеблевого компонента, тем самым повышает устойчивость к стрессовым факторам внешней среды (Потатуева, 1968; Воронков, 1978; Бахнов, 1979; Алешин, 1982; Матыченков, 1990; Ермолаев, 1992; Куликова, 2004). Несмотря на большие валовые запасы кремния в почве, при интенсивном использовании пахотных земель происходит обеднение гумусного горизонта доступными (аморфными) формами кремния. При урожайности зерновых культур в пределах 20-60 ц/га баланс кремния в агроэкосистемах всегда отрицательный и составляет в дефиците 6-20 кг/га (Голованов, 1998). Фитолиты (опал) соломы при мульчировании и запахивании осенью не решают проблему обеспеченности почвы кремнием вследствие его инфильтрации в более глубокие слои и трансформации в малорастворимые соединения. Недостаток в кремнии проявляется и на известкованных почвах с реакцией среды, близкой к нейтральной, а также при высокой обеспеченности их подвижным фосфором. Для восполнения дефицита необходимо внесение кремниевых удобрений. Поскольку отечественная промышленность не выпускает кремнийсодержащие удобрения, большое значение приобретают природные источники доступного кремния. Среди них перспективными являются диатомиты, трепела, опоки и др. В Российской Федерации поставлено на баланс 31 месторождение диатомитов и 20 месторождений трепелов с прогнозными запасами порядка 50 млрд. м3. Весьма перспективным является использование высококонцентрированной кремнийсодержащей породы - диатомита Инзенского месторождения, разрабатываемого в Ульяновской области в промышленных масштабах. Его использование в системе удобрения является одним из перспективных подходов при комплексной разработке высокоинтенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
Применение диатомита в Поволжье как в чистом виде, так и в смеси с куриным пометом (органоминеральное удобрений «Диакур») положительно повлияло на урожайность овощных и зерновых культур, способствовало активизации микробиологической активности, улучшению агрофизических показателей плодородия почвы (Яшин, 2004). При испытании диатомита в закрытом грунте на овощных культурах отмечен хороший результат по урожайности и устойчивости к сосущим вредителям (Лобода, Яковлева, 2000). Что касается эффективности применения диатомита на зерновых культурах в условиях Центрального Нечерноземья, то сведений по этому вопросу имеется недостаточно. Это и вызвало необходимость в проведении данных исследований.
Цель и задачи исследований. Цель исследований состояла в изучении влияния диатомита на рост, развитие и урожайность ярового ячменя и озимого тритикале при возделывании на дерново-подзолистых почвах.
В задачи исследований входило:
исследовать элементы фенотипической структуры стебля (высота, диаметр второго нижнего междоузлия) изучаемых культур при разных дозах внесения диатомита;
дать оценку устойчивости озимого тритикале к полеганию по результатам биометрических измерений и содержанию кремнезема (S1O2) в соломе;
установить влияние разных доз диатомита на урожайность и содержание N, Р, К, Si в растениях;
определить вынос питательных элементов продукцией зерновых культур и воздействие диатомита на агрохимические показатели почвы;
дать экономическую оценку применения диатомита.
Научная новизна. Впервые на дерново-подзолистой почве в условиях Центрального Нечерноземья установлено положительное влияние кремнийсодержащего сырья - диатомита на рост, развитие и урожайность ячменя и тритикале. Выявлены сортовые различия в эффективности диатомита на ячмене Зазерский 85 и Владимир. Показано, что его применение при достаточном азотном, фосфорном и калийном питании способствует увеличению диаметра стебля (соломины) в районе второго междоузлия и укорачиванию растений. Об этом свидетельствует показатель отношения длины стебля (L) к его диаметру (d). Установлены критерии устойчивости растений тритикале к стеблевому излому по содержанию оксида кремния в соломе. При возделывании тритикале эффективность диатомита в большой мере проявляется в последействии высоких доз диатомита. При этом повышается вынос кремния непродуктивной частью растений и создаются условия для мобилизации подвижных фосфатов в почве.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные на примере биогенного вещества - диатомита указывают на необходимость использования кремнийсодержащих удобрений для получения высоких урожаев зерновых культур. Они послужат дополнением к нормативным материалам при составлении рекомендаций по применению макро-, микроудобрений в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на Международной научной конференции «Агроэкологическая эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» (Москва, ВНИИА, 2005 г.); Межвузовской научно-практической конференции «Молодые ученые ВУЗа - сельскохо-
зяйственному производству» (Смоленск, 2006 г.); на конференции, посвященной 75-летию НИИСХ ЦРНЗ «Достижения и перспективы селекции и технологического обеспечения АПК в Нечерноземной зоне РФ» (Немчи-новка, 2006), научно-техническом совете технологического центра НИИСХ ЦРНЗ, 2007 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 научные статьи, в т. ч. одна в журнале «Плодородие» по списку ВАК.
Кремний в жизни растений
Способностью ассимилировать кремний обладают как корни, так и листья растений. При этом небольшая часть кремнезёма поглощается из дождевой воды. Многие авторы придерживаются мнения, что поступление кремния в растения есть механический, пассивный процесс. Присутствие в них этого элемента объяснялось отложением захваченных током воды кремневой кислоты или коллоидного кремнезёма в периферийных тканях и на стенках проводящих сосудов. Однако такая точка зрения не может объяснить, почему поглощение многими растениями больших объемов воды, содержащих растворимую кремнекислоту, не приводит к накоплению в них существенного количества кремния. Ассимиляция кремния не является простой диффузией раствора кремнекислоты, а есть метаболический процесс. Пассивный и активный процессы не исключают друг друга. При метаболическом процессе ассимиляция кремния растениями подчиняется законам диффузии до тех пор, пока количество доставляемого кремнезема не превысит потребности растения. После этого диффузия начинает регулироваться физиологической системой растения (Воронков, 1978). Вопрос о форме поглощения кремния растениями в настоящее время не до конца разрешён. Одни авторы считают наиболее доступной низкомолекулярную форму коллоидной кремнекислоты (Барсукова, 1979). Другие (Lan-wers, 1974) думают, что только мономеры кремневой кислоты могут быть использованы растениями. Эти авторы показали, что растения могут деполи-меризовать полимерную кремнекислоту, а после этого использовать мономеры. Низшие растения (водоросли, грибы) могут употреблять в биохимических процессах только мономеры.
Отмечено (Пономарёв, 1966), что в растения через корневую систему могут поступать посредством диффузии водорастворимые соединения кремния (эфиры ортокремневой кислоты и многоатомных спиртов). J. Shoichi (1965) считает, что кремний в растении содержится в трех формах: ионной, коллоидной, труднорастворимой. При этом на долю труднорастворимого кремния падает 90% общего содержания этого элемента в растении. Содержание ионного кремния составляет от 0,5 до 8% и колеблется у различных растений (Потатуева, 1968). Коллоидной кремниевой кислоты в растении может содержаться до 2%. banning (1958) считает, что нет полной ясности о формах кремния в растении. Хеммерс (1949) считает, что поскольку растворимая кремнекислота, а вовсе не коллоидные частички кремнезема, проникает через мембраны растений, то окремнение их происходит сразу после освобождения растворимого кремнезема через разложение силикатных минералов и до его полимеризации. Барури (1949) делает вывод, что механизм окремнения основан на связи кремния с целлюлозой и хранит в себе много биологических деталей. Предполагают, что кремний в известной степени определяет структуру и проницаемость клеточных мембран.
Его соединения также определенным образом действуют на лизосомы (внутриклеточные образования), способные расщеплять белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды и могут накапливаться в митохондриях (элементах клеток, обеспечивающих их энергией). Проникновение ортокремниевой кислоты во внутренние мембраны происходит путём обычной диффузии (Воронков, Кузнецов, 1984). А. Шарно (1953) и К. Шварц (1978) вывели и идентифицировали фермент силиказу, который освобождает кремний из его соединений. Этот фермент присутствует в мембранно-связанной форме в митохондриях и микросомах (Воронков, Кузнецов, 1984). Выделенная К. Шварцем силиказа оказалась даже способной высвобождать кремниевую кислоту из синтетических кремнийорганических соединений. Она отличается необыкновенной теплостойкостью. Основным источником кремния является почва. Растения поглощают кремний из почвенного раствора, глин и труднорастворимых силикатов. Источником этого элемента в какой-то степени может быть и кварц (Аллер, 1963). Но наиболее доступен для питания растений кремний, находящийся в почвенном растворе. Здесь его содержание колеблется в пределах 1-1200 мг/л (Перельман, 1989). Непосредственно в растения кремний поступает в виде аниона кремневой кислоты (Si032), а также иона Si(OH)3", монокремниевой кислоты (H4Si04) и различных эфиров и кислот (Ермолаев, 1992). Несмотря на то, что содержание кремния в грунтовых водах невелико (20-50 мг/л), он впитывается растениями в значительных количествах. Так, за год с 1 га зерновые извлекают 105-120 кг двуокиси кремния, овощи - 10, картофель - 8 кг. Двуокись кремния составляет более половины минеральных веществ, которые зерновые усваивают из почвы. Несмотря на зависимость поглощения растением кремния от его количества в почвенном субстрате, содержание и потребность в нём определяется биологическими особенностями растения (Базилевич, 1971). Растения, интенсивно ассимилирующие его из почвы, получили название «кремнефильных». К ним относятся и многие культурные растения, особенно злаки (пшеница, овёс, ячмень, просо и др.). Эти растения произрастают в среде, богатой хорошо усвояемым кремнием и поэтому легко концентрируют его в своих тканях. При исследовании поглощения кремния корнями ржи и подсолнечника установлено, что при концентрации в питательном растворе кремнезёма 450 мг/л он накапливается преимущественно в корнях, а при концентрации менее 150 мг/л - в ростках и листьях. При меньшей концентрации кремния, когда в почвенном растворе преобладает растворённый кремнезём, он с током воды попадает к листьям. Высокие концентрации растворённого кремнезёма не оказывают токсического действия на растения (Воронков, 1975). Часто значительное количество поглощённого растением кремния накапливается в корнях. Это можно видеть у таких растений, как клевер, рис, сорго. У ростков пшеницы кремний первоначально накапливается в корнях и только потом - в стеблях и листьях.
У сорго в первые 3-6 недель наблюдается уменьшение содержания кремнезёма в корнях. Способность риса ассимилировать кремний резко снижается при отсечении корней, но с развитием новых быстро восстанавливается. Кремний лучше адсорбируется старыми корнями. Процессы его накопления в корнях и надземной части риса в период роста протекают независимо друг от друга, но в корнях кремния меньше, чем в надземной массе. Количество поглощённого рисом кремния прямо пропорционально его концентрации в почве и в питательном растворе. У растений, потребляющих много кремния, поглощение в большой мере зависит от запасов доступного кремнезёма в почве. Поглощение его растениями, особенно рисом, увеличивается с увеличением влажности почвы.