Почвоведение, 2020, № 8, стр. 1007-1015

ВВЕДЕНИЕ

Не вызывает сомнений, что почвы должны оказывать большое влияние на начальную стадию развитие растений, так как семена активно взаимодействуют с почвой, выделяя в нее вещества [14], которые служат питанием для почвенных микроорганизмов и обусловливают их бурное развитие в прилегающих к семенам областях почв [16]. Кроме того, из почв в семена поступают, вырабатываемые микроорганизмами или закрепленные в почвах биологически активные вещества (БАВ): витамины, антибиотики, растительные гормоны и др. [7].

Однако при поиске стимулирующих воздействий и стимуляторов прорастания семян, способных повышать их посевные качества [1, 4, 6, 14, 21, 28], взаимодействие семян с почвой не учитывали [2], и изучали лишь ответную реакцию семян на применяемые воздействия. При этом эксперименты очень часто ставили, проращивая обработанные тем или иным способом семена на инертных субстратах: фильтровальной бумаге или песке. При наблюдаемом в этих условиях ускорении их развития, считали, что препарат или воздействие эффективны и могут применяться в сельском хозяйстве.

Как следствие, при подобном подходе не учитывали, что действие стимуляторов на начальную стадию развития растений реализуется в условиях параллельно идущих процессов поступления из почв в семена витаминов, фитогормонов, кофакторов ферментов, других необходимых семенам БАВ, а также аллелотоксинов, ингибирующих прорастание семян и дальнейшее развитие из них растений [3, 7, 9, 20, 24, 26]. Причем поступление в семена из почв аллелотоксинов – не частный случай, а, как показали многочисленные исследования, широко распространенное явление [3, 7, 20], проявляющееся в почвах, используемых в сельском хозяйстве.

Учет наличия у почв аллелотоксичности позволяет взглянуть на проблему с несколько иных позиций и выдвинуть предположение о том, что воспринимаемая при проведении экспериментов “стимуляция” может являться либо снижением ингибирования начальной стадии развития растений за счет уменьшения поступления в семена из почв аллелотоксинов, либо стимуляцией БАВ на фоне действия на семена аллелотоксинов.

С общих позиций данный подход выглядит логичным, но экспериментов, доказывающих это, не обнаружено.

Известно [5], что глинистые минералы активно сорбируют аллелотоксины. Также есть информация [8, 22, 23, 25, 29, 30] о том, что глино-гумусовые комплексы по сравнению с гуминовыми веществами и глинистыми минералами обладают по отношению к органическим веществам большей сорбционной способностью. Основываясь на этих данных, для уменьшения влияния почвенных аллелотоксинов на семена и усиления действия стимуляторов решили применить их предпосевную обработку бентонито-гуматовыми смесями.

Цели работы – проверка предположения о возможности стимуляции прорастания семян и ускорения развития из них растений за счет снижения негативного влияния на семена аллелотоксинов дерново-подзолистых почв; изучение возможности повышения эффективности применения стимуляторов при уменьшении негативного влияния на семена аллелотоксинов дерново-подзолистых почв; оценка влияния степени аллелотоксичности дерново-подзолистых почв на действие стимуляторов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

В экспериментах использовали семена яровой пшеницы (Triticum) урожая 2018 г. сортов “Лиза”, “Злата”, “Любава”, “Эстер”, “Агата” и “РИМА” через 1–1.5 месяца после уборки и через 2.5–3 мес. и более. Выбор данных сортов пшеницы основывался на том, что, во-первых, яровые культуры лучше реагируют на стимулирующее воздействие. Во-вторых, пшеница – наиболее распространенная в сельском хозяйстве России культура. В-третьих, применяли новые сорта, производимые Федеральным исследовательским центром “Немчиновка” и районированные для нечерноземной зоны России.

В работе использовали образцы дерново-подзолистых почв: окультуренной дерново-подзолистой глубокоподзолистой глубокопахотной легкосуглинистой на покровных суглинках, подстилаемых флювиогляциальными отложениями (Albic Retisol (Loamic, Aric, Cutanic, Ochric)), после викоовсяной смеси влажностью 25.6% (1), после горчицы влажностью 25.9% (2), после картофеля влажностью 24.1% (3) Московская область, Чашниково; дерново-неглубокоподзолистой освоенной глубокопахотной легкосуглинистой на покровных суглинках, подстилаемых мореной (Eutric Retisol (Loamic, Aric, Cutanic, Ochric)), залежь с 2015 г. влажностью 19.9% (5) Московская область, Чашниково; агродерново-глубокоподзолистой супесчаной на водно-ледниковых (древнеозерных) отложениях (Albic Podzol (Arenic, Aric)), подстилаемой с глубины 92 см бескарбонатными лёссовидными (покровными) суглинками после пшеницы влажностью 18.1% (9) из окрестностей поймы р. Яхрома (Московская область, Дмитровский район). Свойства почв, включая их аллелотоксичность определены ранее¹¹ [15]. Также в работе использовали сухой отмытый речной песок с размером частиц 0.5–0.8 мм.

Изучали влияние обработки семян препаратами на изменение длины проростков 7.5 г семян (~200 шт.) при их прорастании в различных почвах и песке. Влияние препаратов изучали по сравнению с необработанными семенами. Длину проростков определяли, используя экспресс-метод, основанный на существовании линейной зависимости между насыпным объемом проросших семя в воде и длиной их проростков [17]. Проросшие в почве или песке семена отмывали от субстрата и помещали порциями в мерный цилиндр на 100 мл с водой, размещенный на вибростоле²², колеблющемся с частотой 50 Гц. После помещения каждой порции проросших семян в цилиндр, которые создавали ажурную пористую структуру, на них на 15–20 с помещали небольшой груз массой 8 г в виде резиновой пробки, что приводило к уплотнению структуры. После помещения всех проросших семян в цилиндр на них ставили груз и проводили дополнительное уплотнение структуры легкими постукиваниями (30–40 раз) цилиндра с семенами о стол. Эти операции позволяли создать однородную структуру, а нижняя граница груза позволяла определять насыпной объем с точностью до 0.5 мл.

При проведении экспериментов на дно чашки диаметром 95 мм помещали 30 г почвы или песка³³, затем ровным слоем размещали 7.5 г семян, а сверху – 30 г почвы или песка. После этого в чашку равномерно добавляли из мерной пипетки воду в количестве, которое ранее было определено [15]. Использовали шестикратную повторность с последующей статистической обработкой результатов. В связи с использованием в одном опыте 1000–1200 семян удавалось минимизировать ошибку, связанную с их разнокачественностью [14]. В результате ошибка опыта не превышала 7% при 95%-ном уровне значимости.

Все обработки семян проводили полусухим способом при расходе растворов 20–40 л на тонну семян. Для этого 50 г семян помещали в пластиковую лодочку размером 20 × 7 см, глубиной 4 см, добавляли 1–2 г суспензии стимулятора и тщательно перемешивали 1 мин до достижения равномерной окраски семян.

В качестве стимуляторов использовали:

– бентониты натрия и кальция по ОСТ 18-49-71 (Россия);

– гумат калия (натрия), произведенный ООО НВЦ “Агротехнологии” (Россия) из бурого угля;

– автолизат пивных дрожжей (АПД), выпускаемый промышленностью для использования в качестве добавки к корму скота, произведенный ООО “Биотех плюс” (Россия);

– препарат “Бутон”, произведенный ООО “ПСК Техноэкспорт” (Россия), содержащий натриевые соли гиббереллиновых кислот в количестве 20 г/кг;

– препарат “Янтарин”, содержащий янтарную кислоту в концентрации 5 г/л, произведенный ЗАО фирма “Август” (Россия);

– щавелевую кислоту АО “Мосреактив” (Россия);

– фумаровую кислоту (Китай);

– парааминобензойную кислоту (ПАБК) фирмы Sigma (США).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На первом этапе исследований изучено влияние предпосевной обработки семян яровой пшеницы сорт “Лиза” бентонито-гуматовыми смесями на их прорастание и рост проростков в дерново-подзолистых почвах.

Из представленных данных видно (табл. 1 и 2, рис. 1), что при подборе концентраций бентонита и гумата, а также расхода суспензии препарата на яровой пшенице “Лиза” удается добиться высокой стимуляции прорастания семян и скорости развития их проростков. Для кальциевого бентонита оптимальной является концентрация 40 г/л бентонита и 10 г/л гумата, что обеспечивает 25% стимуляцию. При увеличении расхода суспензии в 2 раза до 40 л/т стимуляция возрастает до 30%. Обращает на себя внимание, что данная стимуляция достигается только при прорастании семян в почве.

Рис. 1.

Влияние содержания гуминового препарата в суспензии кальциевого бентонита с концентрацией 40 г/л на начальную стадию развития растений из семян пшеницы сорт “Лиза”.

Оценка ингибирующего влияния дерново-подзолистых почв на действие сорбционного препарата (СРП) на основе кальциевого бентонита на яровой пшенице сорт “Лиза” показала, что эффект от его применения прямо пропорционален (рис. 2) ингибирующей способности почв, определенной ранее [15]. Чем меньшее негативное влияние на прорастание семян и развитие их проростков оказывает почва, тем слабее стимулирующее действие предпосевной обработки семян СРП.

Рис. 2.

Влияние ингибирующей (стимулирующей) способности почв на начальную стадию развития растений из семян яровой пшеницы сорт “Лиза” [15] в этих почвах, обработанных СРП. Цифрами указаны номера почв.

Все это подтверждает предположение о том, что стимулирующий эффект СРП связан с поглощением ими аллелотоксинов почв и снижением их ингибирующего действия на семена.

Для СРП с натриевым бентонитом наблюдается стимуляция меньшей величины (табл. 2), а оптимальным является состав, содержащий 40 г/л натриевого бентонита и 20 г/л гумата. Если исходить из того, что большая часть сорбционной способности используемых препаратов обеспечивается соединениями гуминовыми веществ с глинистыми минералами [8], то наблюдаемая разница в концентрациях гумата становится понятной, так как ионы кальция по сравнению с ионами натрия лучше обеспечивают образование глино-гумусовых комплексов [11].

Следует отметить, что стимулирующий эффект от использования СРП (табл. 3) наблюдается только для сортов “Лиза” и “Злата” (+30 и +25%). Для сорта “Агата” стимуляция практически отсутствует (+4%), а для сортов “Любава”, “Эстер” и “РИМА” наблюдается угнетение (–7, –14 и –17% соответственно). Из полученных данных следует, что разные сорта неодинаково реагируют на обработку СРП, причем некоторые из них реагируют негативно. Результат был достаточно неожиданным и делал необходимым перед использованием СРП на конкретном сорте проводить испытания по оценке эффективности его применения.

Рассмотрим возможную причину этого негативного для внедрения СРП в практику сельского хозяйства явления. Можно предположить, что это связано с сорбционными свойствами СРП, которые, по-видимому, “сорбируют” какие-то вещества, поступающие в семена из почвы и оказывающие положительное влияние на начальную стадию развития растений. В результате уменьшение поступления этих веществ из почвы в семена приводит к замедлению развития растений на начальной стадии.

Необходимо отметить, что данное предположение входит в противоречие с классическими подходами с позиций автотрофности растений, из которых следует, что растения все необходимые им для развития вещества синтезируют сами.

Однако в последние десятилетия появились теории, в которых важное место отводится гетеротрофности растений. Речь идет о применении активно разрабатываемой в настоящее время концепции суперорганизма – аутоценоза, компликатобионта, хологенома облигатности симбиоза, согласно которому жизнедеятельность и эволюция всех многоклеточных и многих одноклеточных живых существ происходит только на основе взаимовыгодной интеграции с другими живыми существами (преимущественно микроорганизмами) [12, 13, 27]. Для растений эта теория нашла подтверждение при исследовании роли эндофитных микроорганизмов в жизни растений, которые сейчас активно развиваются. При этом необходимо учитывать, что почвы из-за своей высокой сорбционной способности могут закреплять и удерживать БАВ, образуемые эндофитами, т.е. являться промежуточным депо БАВ.

Таким образом, предположение о поглощении растениями из почв биологически-активных веществ, которые активизируют в них биохимические процессы является достаточно обоснованным и известно давно [7].

Для проверки правильности подобного подхода изучили поведение при прорастании семян, не прошедших послеуборочное дозаривание.

Из полученных данных хорошо видно (табл. 4), что почвы стимулировали развитие растений на ранней стадии из таких семян, но ингибировали развитие растений на ранней стадии из семян, прошедших послеуборочное дозаривание.

Перечислим полученные данные:

1. Семена, не прошедшие послеуборочного дозаривания, развиваются на песке заметно медленнее семян, прошедших послеуборочное дозаривание (факт общеизвестный).

2. Развитие семян, не прошедших послеуборочного дозаривания, на почвах происходит быстрее, чем на песке.

3. Развитие семян, прошедших послеуборочное дозаривание, на песке происходит быстрее, чем на почве.

Поступление аллелохимикатов из почвы в семена, часть из которых является аллелотоксинами, а часть – аллелостимуляторами позволяет предложить объяснение для данного явления. По-видимому, семенам, не прошедшим послеуборочного дозаривания, не хватало БАВ для их развития (БАВ еще не образовались в семенах), и они получали их из почв. В этом случае влияние на начальную стадию развития растений стимулирующих веществ, поступающих в них из почв, доминировало, и растения лучше развивались в почве, чем в песке. В семенах, в которых процессы дозаривания завершились, БАВ было уже достаточно, поэтому на развитие растений на начальной стадии из этих семян большее влияние оказывало поступление из почв аллелотоксинов. Как следствие, растения развивались лучше в песке, чем в почвах. Необходимо отметить, что скорость развития растений на начальной стадии из семян, не прошедших послеуборочное дозаривание, на инертном субстрате заметно ниже скорости развития растений из семян, прошедших послеуборочное дозаривание.

Можно предположить, что семенам сортов, которые СРП угнетали, не хватало для их полноценного развития собственных БАВ, и они использовали почвенные БАВ, которые закреплялись на СРП и их поступление в семена замедлялось. Связано это с тем, что глинистые минералы обладают большим набором активных центров с разными характеристиками [19]. Можно ожидать, что сорбция на них ГВ с образованием глино-гумусовых комплексов только увеличивает количество и набор активных центров и соответственно увеличивает способность глино-гумусовых комплексов сорбировать больший набор органических веществ. В результате применение СРП для обработки семян блокирует не только поступление в семена⁴⁴ аллелотоксинов из почв, но и БАВ.

Таким образом, использование СРП поделило семена на две группы. Для первой из них (сорта пшеницы “Лиза” и “Злата”) ограничение СРП поступления из почв БАВ не оказывает негативного влияния на ускорение развития семян, и их стимуляция достигается поглощением сорбентами всех поступающих из почв веществ. Для второй группы поступление из почв в семена БАВ влияет на их прорастание и рост проростков.

Выдвинутое предположение о влиянии поглощения сорбентами, находящимися на семенах, БАВ из почв и угнетение за счет этого прорастания семян некоторых сортов и замедления развития проростков семян позволяло предложить способ для предотвращения этого явления. Для этого было необходимо заполнить активные центры сорбента, на которых закрепляются молекулы БАВ из почв. Была предпринята попытка использовать автолизат пивных дрожжей, который содержит широкий спектр БАВ [18] – витамины, пептиды, аминокислоты, липиды и т. д. В результате эффективность применения таких препаратов на семенах угнетаемых СРП (пшеница сорт “Любава”) повысилась, предпосевная обработка ими семян перестала угнетать развитие из них растений на ранней стадии, а стала стимулировать их (рис. 3). Однако, как хорошо видно, эффект стимуляции был достаточно мал, что свидетельствовало о неполном блокировании веществами, входящими в состав АПД, сорбционных центров глино-гумусовых комплексов, на которых могли сорбироваться БАВ из почв, и о возможном частичном блокировании сорбционных центров, на которых могли сорбироваться аллелотоксины. При этом эффект при введении в СРП оптимальной концентрации АПД на яровой пшенице сорт “Любава” все же вырос почти на 15% (рис. 3). Фактически мы получили препарат (кальциевый бентонит–гумат–АПД), который, с одной стороны, сорбировал аллелотоксины из почв, а, с другой стороны, (с позиций выдвинутого предположения) в минимальной степени поглощал БАВ, поступающие из почв в семена и необходимые для их развития. Однако рекомендовать для использования данный препарат в сельском хозяйстве еще нельзя – развитие растений на ранней стадии из семян некоторых сортов он стимулировал, а на другие не оказывал значимого влияния.

Рис. 3.

Влияние содержания АПД в суспензии бентонита (40 г/л) с гуминовым препаратом (10 г/л) на начальную стадию развития растений из семян яровой пшеницы сорт “Любава”.

Необходимо отметить, что действие СРП на сортах яровых пшениц “Лиза” и “Злата” не только однозначно свидетельствовало (табл. 3, рис. 2) о негативном влиянии аллелотоксинов на прорастание семян и развитие их проростков, но и о том, что почвы оказывают заметное влияние на действие СРП. Чем больше почвы содержали аллелотоксинов, тем сильнее проявлялось действие СРП.

Все это подтверждало наше предположение о том, что применение для обработки семян стимуляторов различной природы происходило в условиях сильного влияния на начальную стадию развития растений из этих семян негативного фактора – аллелотоксинов. Именно это могло приводить к низкой эффективности и невоспроизводимости результатов при использовании стимуляторов для предпосевной обработки семян ранее. Найденный препарат (кальциевый бентонит–гумат–АПД), позволяющий снизить действие аллелотоксинов на семена и незначительно поглощающий БАВ из почв, мог в полной мере позволить проявиться возможностям разработанных ранее препаратов для стимуляции начальной стадии развития растений из семян.

Трудно было ожидать, что повышение эффективности будет наблюдаться для всех используемых ранее стимуляторов (гормонов растений, витаминов, субстратов дыхательного метаболизма и др.). Процессы сорбции на глино-гумусовых комплексах и конкуренция между различными молекулами за закрепление на их активных центрах достаточно сложны, и прогнозировать их трудно. Вводимые молекулы стимуляторов могут занимать сорбционные места, увеличивая подвижность аллелотоксинов, или способствовать закреплению БАВ из почв. Однако возможность усиления стимуляции для некоторых препаратов была вполне реальной, поэтому мы продолжили исследования в этом направлении.

Полученные данные при использовании смеси, включающей в свой состав кальциевый бентонит, гумат и АПД, с добавками препарата “Бутон”, янтарной, щавелевой и фумаровой кислот (субстраты дыхательного метаболизма) [10, 14], а также ПАБК (витамин В-10) показали, что для них всех эффективность использования индивидуальных веществ-стимуляторов резко возрастает, причем наблюдаются экстремальные зависимости. В узком интервале концентраций веществ-стимуляторов хорошо видна заметная стимуляция ранней стадии развития растений из семян. При концентрации меньше оптимальной эффект отсутствует, а при большей концентрации наблюдается его снижение вплоть до ингибирования. При обработке семян растворами индивидуальных веществ-стимуляторов эффект крайне незначителен и не превышает 4–9%, а при использовании этих веществ в составе СРП с АПД эффект возрастает до нескольких десятков процентов для семян как первой, так и второй групп (табл. 5, рис. 4–6).

Рис. 4.

Влияние содержания препарата “Бутон” в суспензии бентонита (40 г/л) с гуминовым препаратом (10 г/л) и АПД (12 г/л) на начальную стадию развития растений из семян яровой пшеницы сорт “Любава”.

Рис. 5.

Влияние содержания янтарной (1), фумаровой (2) и щавелевой (3) кислот в суспензии бентонита (40 г/л) с гуминовым препаратом (10 г/л) и АПД (12 г/л) на начальную стадию развития растений из семян яровой пшеницы сорт “Любава”.

Рис. 6.

Влияние содержания парааминобензойной кислоты в суспензии бентонита (40 г/л) с гуминовым препаратом (10 г/л) и АПД (12 г/л) на начальную стадию развития растений из семян яровой пшеницы сорт “Лиза”.

Следует отметить, что использование комплексных препаратов без АПД приводило к сильному снижению эффективности их действия для семян, как первой, так и второй групп, а в некоторых случаях стимуляция сменялась ингибированием (табл. 5). Это позволило предположить, что для семян обеих групп наблюдаемый результат (стимуляции или угнетения начальной стадии развития растений из семян) есть сумма эффектов воздействия на семена БАВ-стимуляторов из почв и аллелотоксинов. Мы же своими действиями смещаем результат влияния этих веществ на семена.

Несколько особняком располагаются результаты, полученные на семенах пшеницы сорта “Лиза”, при использовании ПАБК в качестве добавки к СРП и к СРП с АПД. Отсутствие АПД в препарате практически не влияет на стимуляцию. Это позволяет предположить, что для семян первой группы ПАБК каким-то образом заменяет положительное влияние АПД.

Таким образом, учет аллелотоксичности почв при действии стимуляторов на семена и возникшие представления о механизме происходящих при прорастании обработанных стимуляторами семян процессах позволили разработать несколько эффективных препаратов-стимуляторов начальной стадии развития растений из семян.

ВЫВОДЫ

1. Применение СРП на основе бентонито-гуматовых смесей для стимулирующей обработки семян при посеве их в почвы эффективно не для всех сортов пшеницы. Для некоторых сортов СРП вызывает угнетение начальной стадии развития растений из семян, которое было объяснено с позиций предположения об ограничении поступления из почв в семена БАВ, необходимых для их развития.

2. Введение АПД в сорбционный препарат, по-видимому, позволяет заполнить активные центры сорбента, на которых могут закрепляться БАВ из почв, что снимает угнетение с начальной стадии развития растений из семян при применении СРП.

3. Действие СРП на семенах, развитие из которых растений на начальной стадии не лимитируется поступлением БАВ из почв (первая группа), проявляется тем сильнее, чем больше ингибирование развития семян почвами.

4. Использование для обработки семян индивидуальных веществ-стимуляторов совместно с СРП и АПД приводит к резкому повышению эффективности применения ранее изученных веществ-стимуляторов.