Агрохимия, 2021, № 7, стр. 75-82

ВВЕДЕНИЕ

Кобальт относится к числу физиологически необходимых элементов для живых организмов. Входя в состав ферментов, кобальт активно влияет на поступление и обмен азотистых веществ, синтез хлорофилла и нуклеиновых кислот в растениях. Значим он для жизни клубеньковых бактерий и фиксации ими молекулярного азота [1, 2]. Особо велика роль кобальта для жизнедеятельности животных. Дефицит его в рационе вызывает ряд заболеваний (акобальтозы, анемии, авитаминозы). Являясь составной частью витамина В₁₂, кобальт влияет на углеводный и жировой обмен, участвует в кроветворении и образовании гемоглобина. Животные, как и человек, этот витамин не синтезируют. В связи с этим важна обеспеченность им кормовых культур и продуктов питания [3–5].

При этом тяжелые металлы (ТМ), к которым относится кобальт, в избыточном количестве также вызывают заболевания животных и человека [4, 6]. В условиях техногенеза роль антропогенного фактора в формировании микроэлементного состава живых организмов значительно возрастает. В связи этим актуально изучение взаимосвязей между содержанием кобальта в почве, продуктивностью растений и качеством продукции. Важен при этом региональный подход [7], обусловленный разнообразием почв, условиями возделывания и спецификой культур. На почвах с низким содержанием кобальта значимым остается улучшение минерального и биохимического состава растительной продукции.

Цель работы – изучение действия и последействия кобальта на продуктивность однолетних и многолетних трав и его транслокацию в растения на подзолистых почвах европейского Северо-Востока.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проведено в пригороде г. Сыктывкара на легкосуглинистой пахотной подзолистой почве со следующей агрохимической характеристикой: рН 5.7, содержание гумуса – 1.9%, сумма обменных оснований – 6.1, гидролитическая кислотность – 2.6 ммоль/100 г, азот гидролизуемый – 4.9 мг/100 г, содержание подвижных фосфора – 285 и калия –122 мг/кг (по Кирсанову).

Изучение действия кобальта на растения начали в мелкоделяночном эксперименте (опыт 1), где были смоделированы 3 контрастных по содержанию элемента уровня. Для создания первого из них внесли СоSO₄ · 7H₂O в количестве 100 мг Со/м², что соответствовало установленной оптимальной дозе кобальта на подзолистых почвах Республики Коми – 1 кг/га. Второй уровень превышал первый в 10 раз, третий – в 100 раз. В пахотный горизонт с учетом его мощности (0–25 см) и объемной массы поступило от 0.3 до 33 мг Со/кг почвы. Площадь делянок – 1 м², повторность четырехкратная. В первый год возделывали однолетние травы – горох (Pisum sativa (rehcbdjv)) сорта Альбумен и овес (Avena sativa) сорта Льговский-82 в смешанном посеве), на 2–3-й годы – клевер (Trifolium pratense) сорта Печорский улучшенный (последействие I, II), на 4-й год – овес (последействие III). В качестве фона под однолетние травы вносили N60Р60К60, под клевер – N30Р30К30.

Позднее были проведены микрополевые исследования в сосудах с возрастающим содержанием элемента (опыт 2). Почвенная масса с разным содержанием кобальта была получена путем смешивания почвы опыта 1 с почвой контрольных делянок. Доля загрязненной почвы от первого варианта к десятому последовательно повышалась от 1 до 10 кг/10 кг почвы. В загрязненной почве (время взаимодействия кобальта с почвой продолжалось 5 лет) в естественных условиях произошли трансформация внесенной соли и уравновешивание форм элемента. Для подобных процессов требуются не менее 3-х лет [8]. Почву массой 10 кг помещали в полиэтиленовые сосуды без дна (диаметр – 20, высота – 30 см), которые зарывали в траншеи. Эксперимент выполняли в четырехкратной повторности в течение 2-х лет. В сосуды высевали по 15 семян гороха и овса, оставляя впоследствии по 10 растений каждого вида. Биомассу растений, как и содержание в них кобальта, определяли отдельно для гороха и овса.

Валовое содержание кобальта в почвах после разложения смесью азотной, фтористоводородной и хлорной кислот определяли методом атомной абсорбции на приборе фирмы “Hitachi“ (модель 180–80 Z). В почвах, наряду с валовым содержанием, анализировали подвижные формы, переходящие в 1М HCl, ацетатно-аммонийный буфер (ААБ) рН 4.8. Определение ТМ в растениях осуществляли после разложения смесью азотной кислоты и перекиси водорода на СВЧ-минерализаторе “Минотавр-1” методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ПНДФ 16.1:2.3: 3.11-98).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Реакция растений на микроэлементы во многом определяется содержанием их в почве. В незагрязненных почвах количество ТМ обусловлено рядом факторов, основными из которых являются содержание в материнской породе, направленность и интенсивность почвообразовательного процесса [7].

В разрезе, примыкающем к опытному участку, кобальт в большей мере сосредоточен в пахотном горизонте (6.91–7.99 мг/кг) (табл. 1). Сельскохозяйственное использование привело к обогащению обрабатываемой толщи кобальтом, чему способствовали смена древесной растительности на травянистую, а также применение удобрений и мелиорантов. Минимум кобальта пришлось на элювиальный горизонт А2В1 (3.63 мг/кг). Аккумуляция элемента (6.45 мг/кг) в иллювиальном горизонте А2В1(В1) была связана с тем, что он является геохимическим барьером в связи с утяжелением гранулометрического состава. Количество микроэлемента в материнской породе составило 4.17 мг/кг. В нижней части профиля преобладали кислоторастворимые формы кобальта (37–56% от общего его количества), что связано с более тяжелым гранулометрическим составом и низкой гумусированностью иллювиальной толщи. Содержание подвижной формы кобальта, экстрагируемое 1М HCl, в пахотном горизонте составило 1.02–1.40, ААБ – 0.18–0.25 мг/кг. Ацетатно-аммонийная вытяжка вытеснила незначительное количество элемента (от 2.6 до 9.4%), основная часть кобальта была закреплена почвенно-поглощающим комплексом (ППК).

Количество подвижного кобальта в подзолистых почвах региона составило 0.5–3.9 мг/кг, меняясь по шкале обеспеченности от бедных до среднеобеспеченных [9].

Валовое содержание кобальта в опыте 2 (табл. 1) с ростом доли загрязненной почвы увеличилось линейно с 6.2 в контроле до 65.5 мг/кг. Солянокислая вытяжка из почвы контроля извлекла 25.8% от общего количества. В первом варианте с кобальтом подвижность элемента увеличилась до 43.7%, в остальных вариантах вытяжка экстрагировала более половины поступившего в почву элемента.

Подвижность кобальта в контроле при использовании ААБ-вытяжки составила 2.9%, из загрязненной почвы буфер извлекал от 6.6 до 32.9% от общего содержания. Во 2-м варианте количество кобальта, экстрагируемое ААБ (5.3 мг/кг), превысило ПДК. Содержание подвижных форм при загрязнении возросло более интенсивно (в 20.4 раза – в 1М HCl-вытяжке и в 106 раз – в ААБ), чем увеличилось общее содержание (в 10.6 раза) элемента в почве. Солянокислая вытяжка характеризовала в основном потенциальный запас элемента, а ацетатно-аммонийный буфер извлекал наиболее мобильные и опасные с экологической точки зрения соединения.

Повышенное поступление кобальта, особенно в условиях слабой буферности подзолистых почв, обусловленной низким содержанием органического вещества и кислой реакцией среды, существенно повлияло на естественное состояние элемента в почве. Равновесие между количеством кобальта в твердой фазе почвы и почвенном растворе установилось на новом, существенно отличающемся от исходного, уровне. Поступившие в почву металлы вступают в реакции ионного обмена, сорбции-десорбции, соосаждения–растворения, комплексообразования [10]. Но при этом значительная их часть не закрепляется в ППК, оставаясь в почвенном растворе в свободном состоянии. Эти формы ТМ представляют бóльшую опасность для растений, чем валовое их количество. В связи с этим оценка как обеспеченности микроэлементом, так и загрязнения им почв должна осуществляться по наличию подвижных форм. Дополнительным аргументом к этому послужило отсутствие пропорциональных связей между валовым содержанием кобальта и количеством экстрагируемых соединений.

Влияние кобальта на растения в эксперименте с контрастным загрязнением (опыт 1) началось с изменения всхожести семян. Если количество взошедших растений на делянках с дозами кобальта 100 и 1000 мг/м² статистически не отличалось от фона, то на делянках с повышенной дозой всходы гороха и клевера отсутствовали. Доза 10 000 мг/м² (100 кг/га) оказалась летальной для бобовых растений. Всхожесть овса при 3-м уровне загрязнения составила 57%. Бобовые растения в начальные стадии онтогенеза оказались более чувствительными к повышенным концентрациям кобальта, чем злаковые. Отдельные симптомы избытка кобальта начали проявляться еще при 2-м уровне в виде хлоротичных пятен на листьях гороха и светлых полос на листьях овса.

Влияние кобальта на физиологические и биохимические процессы в растениях сказалось на величине биомассы растений (табл. 2). Под действием оптимальной дозы (100 мг/м²) продуктивность кормовых трав и особенно гороха значительно увеличилась. Общая биомасса трав возросла на 52, гороха – на 148%. При 2-м уровне загрязнения (1000 мг/м²) продуктивность однолетних трав была близка к фону, но меньше, чем при оптимальном количестве элемента. Вследствие гибели гороха, снижения всхожести и ингибирования роста злакового растения при избытке кобальта при 3-м уровне (10 000 мг/м²) произошло значительное уменьшение биомассы (–75% от фона).

Высокая продуктивность гороха была связана с положительным влиянием кобальта на азотный обмен в растениях [11], который значительно улучшился вследствие деятельности клубеньковых бактерий при обеспечении микроэлементом. Как показал визуальный осмотр корней гороха, при оптимальной дозе (100 мг/м²) отмечен рост числа клубеньков, их размера и интенсивности окраски по сравнению с контролем. Разное влияние кобальта на горох и овес обусловлено в основном биологическими видовыми особенностями растений. На метаболические процессы в растениях отразились как недостаток микроэлемента в почве контроля, так и избыток при повышенном содержании его в почве.

Последействие первой дозы кобальта (100 мг/м²) на клевере проявилось в меньшей мере, чем действие элемента на однолетние травы при непосредственном внесении. Биомасса многолетнего бобового растения при оптимальной дозе микроэлемента в оба года последействия была больше на 14–15%. Кроме затухающего действия причиной снижения эффективности элемента могло послужить то, что хорошо развитая покровная культура сдерживала рост клевера 1-го года жизни, что сказалось впоследствии. Вторая доза кобальта была токсичной для клевера, его биомасса была меньше чем в контроле. При максимальном загрязнении произошла гибель растений на стадии всходов.

С тем, чтобы проследить за токсичностью кобальта в последействии, в следующий сезон на делянках с максимальным загрязнением, на которых клевер погиб в год посева, был проведен посев гороха. В отличие от предыдущего года полной гибели растений не наблюдали, снижение биомассы составило 77%. Полученные результаты свидетельствовали о снижении ингибирующего действия поллютанта со временем. Вместе с тем овес, высеянный на 4-й год (табл. 2), при избытке кобальта (10 000 мг/м²) продолжал испытывать токсическое действие (–68%).

Эффективность некорневых подкормок люпина узколистного, озимой пшеницы, ярового ячменя и люцерны кобальтом (удобрение МикроСтим-Кобальт) также определялась уровнем обеспеченности почвы элементом и дозами микроудобрения. При низкой и средней обеспеченности почвы кобальтом отмечали стимулирующее действие, при избыточной – происходило снижение продуктивности [12]. Применение некорневых подкормок азотнокислым кобальтом многолетних трав на подзолистых почвах обеспечило высокую (20%) прибавку биомассы, на микроэлемент в большей мере отреагировал клевер, в нем усилился синтез белка [9].

С ростом поступления кобальта в почву увеличилась транслокация элемента в растения. Среди однолетних трав более высоким содержанием кобальта отличались бобовые растения (табл. 2). При применении оптимальной дозы содержание кобальта в кормовых травах соответствовало рекомендуемому показателю для жвачных животных. При более высоких дозах его количество в наземной биомассе трав превысило максимально допустимый уровень – МДУ [13], который для кормов естественной влажности составляет 1 мг/кг (6 мг/кг в пересчете на воздушно-сухое вещество).

В большинстве исследований ТМ применяют сверхвысокие дозы элементов с заведомо негативным действием на растения. Включение низких доз позволило определить резкие изменения в жизнедеятельности растений в зависимости от количества микроэлемента, внесенного в почву: оптимальные дозы улучшали рост и развитие растений, избыточные привели к снижению биомассы, гибели бобовых культур и излишнему накоплению элемента в растительной продукции. Действие кобальта менялось от стимулирующего при его недостатке к токсическому – при избытке.

В эксперименте с возрастающими концентрациями кобальта в почве (опыт 2) такого существенного роста продуктивности под действием микроэлемента, как при непосредственном внесении (опыт 1) не наблюдали (табл. 3). В первый год прирост биомассы гороха на 15% отмечен в вариантах 2–4. В следующий год горох активнее развивался в вариантах 4 и 5, где валовое количество кобальта было больше и составляло 32.1–37.5 мг/кг. В вариантах с меньшим содержанием микроэлемента происходило постепенное снижение его эффективности. Биомасса овса в вариантах с микроэлементом в первый год превышала контроль на 17–47%. Тенденция к снижению продуктивности злакового растения по сравнению с максимальной происходила в 2-х последних вариантах при содержании валового кобальта 57.7–65.5 мг/кг. Это количество микроэлемента в почве было больше, чем внесено на 3-м уровне опыта 1 (33 мг Co/кг), при котором происходила гибель бобового и ингибирование роста и развития злакового растения. На 2-й год биомасса овса, как и в первый, была больше в вариантах с кобальтом.

Различия в росте и развитии растений, прежде всего гороха, в двух последовательных экспериментах связываем с тем, что смоделированные концентрации данного физиологически значимого элемента в опыте 2 были больше оптимальных: с варианта 2 содержание кобальта, извлекаемое ААБ, превысило ПДК (5 мг/кг). Разница также могла быть обусловлена тем, что поступление элемента в растения в замкнутом пространстве сосуда отличалось от его поглощения в полевых условиях.

При анализе результатов опыта 1 отмечали некоторое снижение как стимулирующего, так и токсического эффекта во временнóм промежутке, процесс этот продлился в опыте 2. Чем продолжительнее металлы находятся в почве, тем в меньшей мере проявляется их токсичность в отношении растений [14, 15]. Снижение негативного действия ТМ со временем происходило и в экспериментах с медью, цинком и кадмием [16–18]. Спад токсичности обусловлен в основном закреплением элементов в ППК, определенный вклад вносит вымывание элементов за пределы пахотного горизонта и отчуждение растениями. Учитывая снижение биодоступности металлов в почвах со временем, следует использовать разные нормативы для свежего и старого загрязнения.

Действие кобальта в микрополевом опыте, так же как и в опыте 1, определялось поступлением элемента в растения. Вследствие слабой обеспеченности почв данным микроэлементом содержание его в растениях, особенно злаковых, в контроле было меньше рекомендуемого для кормов. С повышением концентрации кобальта в почве количество элемента в биомассе гороха увеличилось с 0.42 в контроле до 22.7 мг/кг (табл. 4), превышая МДУ, начиная с варианта 4 при содержании кобальта в почве 18.3 мг/кг (1 М HCl). Количество кобальта в наземной массе овса в целом было меньше (от 0.22 до 5.1 мг/кг), чем в биомассе гороха. При содержании в почве >30.1 мг Co/кг (1 М HCl) оно превысило нормируемый показатель. Содержание кобальта в горохе увеличивалось линейно, коррелируя с общим количеством элемента в почве (y = 0.411x – 4.1535, R² = 0.97, Р < < 0.001). Близкая зависимость была характерна и для злакового растения (y = 0.1134x – 0.8462, R² = = 0.88, Р < 0.001).

При наличии также линейной зависимости между поступлением кобальта в растения и количеством его в почве накопление микроэлемента в биомассе люцерны по мере увеличения обеспеченности супесчаной почвы этим элементом происходило более интенсивно, чем в злаковых культурах. При избыточном содержании элемента в почве количество его в растениях превысило уровень оптимальных концентраций [12].

Но в то же время изменения в содержании кобальта в тканях растений происходили более интенсивно, чем осуществлялся рост его количества в почве. Поглощение кобальта горохом в сравнении с контролем увеличилось в 50, овсом – в 20, тогда как общее содержание элемента в почве – в 10 раз. Изменения в количестве соединений, извлекаемых солянокислой вытяжкой, составили 20, а ААБ – более 100 раз. Различия в содержании элемента в наземной массе бобовой культуры более всего согласовались с количеством соединений, экстрагируемых буферной вытяжкой. Это подтвердило также наличие более тесной корреляции между содержанием элемента в биомассе гороха и количеством его в ААБ (y = 0.6237x – 1.33, R² = 0.99, Р < 0.001). В растениях овса связи между этими показателями были менее тесные (y = = 0.3283x – 0.3018, R² = 0.89, Р < 0.001).

Одним из показателей, описывающих транслокацию элементов, является коэффициент накопления (КН) – соотношение между содержанием тестируемого элемента в наземной биомассе и общим количеством его в почве. В бобовом растении КН с ростом количества кобальта в почве увеличился с 0.07 в контроле до 0.36 в варианте 6, в овсе – с 0.04 до 0.13 в варианте 8, разница с контролем для гороха составила 5.3, злака – 3.6 раза. В дальнейшем показатель несколько стабилизировался, что связано со сдерживающим влиянием корневой системы. Более высокий КН был характерен для гороха: различия с овсом составили от 1.9 в контроле до 4.4 при максимальном содержании элемента в почве. Более интенсивное поступление микроэлемента в бобовую культуру определялось большей физиологической значимостью элемента для данного вида растений при содержании его в почве в пределах необходимости и более значительным сбоем в поглощении кобальта при превышении оптимума.

Нарушения в метаболизме растений вследствие повышенной транслокации кобальта в растения привели к изменениям в поглощении других элементов. Наиболее значительно изменилось поступление цинка: с ростом содержания кобальта в горохе количество цинка в нем, начиная с варианта 4, снизилось на 26–50%. Взаимоотношения в поглощении цинка и кобальта имели антагонистический характер, между их количеством установлена отрицательная корреляция (r = –0.79, Р < 0.001). Содержание цинка в наземной массе овса в вариантах с кобальтом также было значительно меньше, однако связи между поступлением элементов были менее тесные, чем в бобовом растении (r = –0.52, Р < 0.001). Антагонизм обнаружен также между поступлением кобальта и меди в овес (r = –0.85, Р < 0.001). Различия в транслокации элементов в растениях определяются их биологическими особенностями, доступностью элементов в почве, величиной продуктивной массы [9]. Сложный характер взаимодействия между поглощением цинка и кобальта растениями приведен также в работе [19].

При изучении поведения ТМ в системе почва–растение важным является определение концентраций, которые не вызывают снижение продуктивности (фактор толерантности) и не приводят к накоплению элементов в растениях в токсичных количествах (фактор транслокации). Множество одновременно действующих факторов как в почве, так и растениях, затрудняют процесс регламентирования. Для решения практических вопросов необходимы критерии или количественные параметры загрязнения почв и растительной продукции ТМ. На основе связей между содержанием кобальта в почве, продуктивностью и поступлением элемента в растения попытались определить допустимые границы загрязнения подзолистых почв кобальтом при возделывании кормовых культур, учитывая особенности растений. В основу нормирования положили содержание ТМ (в том числе и подвижных форм) в почве, гарантирующее ненакопление токсичных элементов в товарной части продукции сверх МДУ и не вызывающее снижение продуктивности растений. Негативное уменьшение биомассы трав по сравнению с контролем в опыте 2 не установлено, в опыте 1 оно происходило при внесении кобальта в дозе 33 мг/кг. Превышение МДУ в биомассе горохf началось при валовом количестве элемента в почве, равном 32.2, содержании элемента в вытяжке 1 М HCl – 18.3, в ААБ – 10.2 мг/кг, для овса показатели транслокации составили соответственно 55.3, 30.1, 16.9 мг/кг. Сверхнормативное накопление кобальта в однолетних травах происходило при более низких количествах элемента, чем угнетение роста и развития растений.

При содержании кобальта, равном величине ПДК подвижной формы (5 мг/кг, ААБ-вытяжка), накопление элемента в травах сверх МДУ не наблюдали. Ухудшение качества растительной продукции началось при наличии в почве 10.2 мг Со/кг. Снижение продуктивности и превышение МДУ в биомассе происходило при более высоком содержании подвижного кобальта, чем нормируемый показатель. Использование ПДК подвижной формы для подзолистых почв вполне приемлемо: в его пределах не происходил спад продуктивности и сохранялось качество продукции. Необходимо также учесть то, что при непосредственном поступлении ТМ в почву регламентируемые показатели для почв должны быть меньше, чем для устоявшейся системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на поведении кобальта в системе почва–растение отразились специфика культур, его содержание и время взаимодействия с почвой. Повышение количества микроэлемента до оптимальных пределов вело к росту биомассы однолетних и многолетних трав, улучшению их микроэлементного состава, превышение оптимума вызвало ингибирование роста, развития и гибель растений. Повышенные концентрации кобальта в почве привели к интенсивному поступлению элемента в травы, ухудшая качество продукции. Сверхнормативная транслокция в кормовые травы происходила при более низких концентрациях элемента, чем вызывающая снижение продуктивности.

С ростом поступления кобальта в почву увеличилась его подвижность, поэтому наряду с валовым содержанием необходимо учитывать наличие подвижных соединений. Растения реагировали как на недостаток, так и на избыток элемента. Вследстие чего подход к изучению физиологически значимых элементов должен вестись с 2-х позиций как необходимых микроэлементов, так и потенциальных загрязнителей агроландшафтов с регламентацией их количества. При нормировании ТМ, важно учитывать показатели толерантности, транслокации и давности загрязнения.