Bioproductivity and Trace Element Composition of Cereal-Legume Grass Mixtures in Technozem when Applying Mineral Fertilizers

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Отличительной геохимической чертой горнопромышленных ландшафтов является трудноконтролируемое рассеяние больших масс веществ с аномально высоким содержанием элементов [27]. По данным [20], техногенные потоки вещества часто на порядок превышают их естественные уровни в экосистемах вблизи рудных месторождений. Насыпные и намывные хвостохранилища отходов переработки руд вольфрамо-молибденовых месторождений, склады аварийных сбросов являются источниками загрязнения подземных и надземных вод, почвенно-растительного покрова элементами-металлами и другими канцерогенами в концентрациях, угрожающих здоровью населения прилегающих территорий. Такая кризисная экологическая обстановка характерна для природных и агроландшафтов в зоне влияния Джидинского вольфрамо-молибденового комбината в Западном Забайкалье [12, 13, 28, 33, 34, 35] и бывшего Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината в Приэльбрусье [2, 3, 10].

Многолетнее нахождение значительных объемов техногенных песков в горной местности без проведения рекультивационных мероприятий приводит к их развеиванию и переносу. Происходит качественное преобразование отходов под воздействием различных факторов, усиливающих растворимость и миграцию элементов-металлов за пределы зон хранения, увеличивая интенсивность загрязнения окружающей среды. Например, техногенные пески Джидинского вольфрамо-молибденового комбината имеют максимальный показатель суммарного загрязнения (330) с ассоциацией химических элементов W₁₅₁Cd₈₁Pb₄₃Mo₁₈Zn₁₄As₁₁Cu₉Sb₉Ni₂ (нижний индекс – коэффициент концентрации элемента), а загрязненные ими почвы из-за угнетения биологической активности характеризуются низкой способностью к самоочищению [13].

При ликвидации хвостохранилищ определенное количество отходов остается на поверхности почв, поэтому проводится техническая рекультивация нанесением слоев грунта. В горной местности для этих целей используются вскрышные отвалы месторождений, как правило, находящихся вблизи производства [1, 21]. Такие грунты часто имеют не совсем пригодный для растений состав по содержанию макро- и микроэлементов, а также отличаются по форме нахождения элементов-металлов по сравнению с загрязненными ими почвами [16, 39]. Продукция выращиваемых на них растений лимитируется низкой доступностью основных питательных веществ и (или) наличием чрезмерных концентраций потенциально токсичных элементов, которые конкурируют за одни и те же переносчики [47, 52]. Подвижность и фитодоступность микроэлементов контролируется в основном такими химическими процессами, как осаждение–растворение, адсорбция–десорбция и комплексообразование [26, 44, 45, 46]. Использование удобрений может снизить токсичность микроэлементов за счет большей доступности в местах транспорта, усиления биохимических реакций и физиологических процессов в растениях, в том числе водоудерживающей способности тканей растений. Следовательно, поддержка защитных возможностей растений оптимизацией минерального питания является необходимым условием эффективной ремедиации техногенных почв [23, 27].

Биологическая рекультивация грунтов направлена на нормализацию экологических условий окружающих ландшафтов, а также на инициацию почвообразовательного процесса, прежде всего, на накопление органического вещества за счет создания дернового горизонта. Для этого применяют технологии фитостабилизации с посевом высокопродуктивных многолетних трав (злаки и бобовые), которые не являются аккумуляторами элементов-металлов, однако обладают различными механизмами устойчивости для уменьшения подвижности ионов и укрепления субстрата [40, 42, 51]. Это происходит преимущественно за счет абсорбции и аккумуляции металлов корневой системой трав, их адсорбции на поверхности корней, осаждения и связывания органическими соединениями в ризосфере [22, 41, 48, 49, 50]. Особенности транспорта и распределения металлов в корнях растений определяют их способность накапливать элементы в подземных или надземных органах, обусловливая принадлежность вида к группе исключателей или аккумуляторов соответственно [33].

Биопродуктивность фитоценозов – наиболее подвижный и обобщающий показатель жизненности слагающих травостой видов. Специфический характер реакции растений на условия обитания, от которых зависит формирование биомассы, во многом определяется особенностями строения, развития и распределения их корневой системы. Эти факторы влияют на интенсивность поглощения и накопления макро- и микроэлементов фитомассой травостоев, на обогащение или обеднение почв, на которых они произрастают.

Несмотря на наличие большого числа публикаций по рекультивации нарушенных земель, процессы формирования почвенно-растительного покрова остаются малоизученными, так как имеют четко выраженную региональную и индивидуальную специфику.

Цель исследования – оценка влияния посевов злаково-бобовых травосмесей и минеральных удобрений на биопродуктивность трав, изменение в них концентраций микроэлементов и активизацию формирования дернины в техноземе.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили в 2016–2019 гг. на четвертом рекультивированном участке (рис. 1) территории Джидинского вольфрамо-молибденового комбината (50°25ʹ27ʺ N; 103°18ʹ23ʺ Е, высота над уровнем моря – 1034 м). Район относится к горной лесостепи. Климат резко континентальный с продолжительной морозной зимой и коротким жарким летом.

 

Рис. 1. Расположение хвостохранилищ отходов и рекультивированного участка [13, с дополнениями]: 1 – территория г. Закаменск, 2 – рекультивированный участок, 3 – хвостохранилище отходов, 4 – намытое хвостохранилище, 5 – автотрасса.

 

Средняя годовая температура составляет –2.3°C, сумма активных температур – 1300°C, продолжительность безморозного периода – 79 дней. Осадков в районе выпадает в среднем 373 мм в год, более 93% которых приходится на май–сентябрь. Метеорологические условия в годы проведения агрохимических опытов несколько различались по температурному режиму и по количеству осадков, которые превышали среднемноголетние показатели (табл. 1).

 

Таблица 1. Метеоусловия в период проведения опытов (по данным метеостанции Цакир)

Год	Месяц												Средне- годовая
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Среднемесячная температура, °С
2016	–25.9	–16.9	–6.1	2.1	7.7	14.1	18.2	14.4	8.9	–6.2	–18.3	–22.4	–2.5
2017	–25.5	–18.6	–5.9	3.7	10.3	16.0	17.1	14.1	7.3	–2.0	–13.9	–21.5	–1.6
2018	–25.0	–19.1	–6.6	3.1	9.7	15.7	15.9	15.4	6.8	0.1	–16.4	–22.1	–1.9
2019	–25.1	–22.4	–4.9	3.1	7.4	14.8	17.1	14.7	9.7	–1.2	–14.2	–23.3	–2.0
Среднее многолетнее*	–25.4	–18.3	–7.9	1.4	9.0	13.4	15.8	14.4	6.6	–0.9	–14.0	–22.1	–2.3
Осадки, мм
2016	0.0	4.6	11.4	33.1	52.3	112.6	50.3	148.8	34.9	15.4	10.4	3.4	477
2017	2.5	1.1	2.8	14.5	15.1	68.7	221.4	99.3	27.6	8.7	11.9	1.4	475
2018	1.1	4.8	8.2	28.0	22.9	65.4	106.3	126.2	42.1	13.8	7.5	2	428
2019	0.6	0.3	2.0	8.0	17.0	124	236	122	49.0	10.0	6.0	0.8	576
Среднее многолетнее*	1	1	1	11	49	57	81	110	49	5	4	4	373

 

Опытный участок характеризовался выдержанными параметрами технической рекультивации: наличие верхнего 15 см супесчаного слоя и 22–25 см подстилающего легкосуглинистого крупнопылеватого горизонта. Для технической рекультивации использовали вскрышные грунты Инкурского месторождения. На глубине 37(40)–58 см отмечался слой техногенного песка. Такие образования относятся к техногенным или антропогенным почвам, созданным в ходе рекультивации земель, нарушенных добычей полезных ископаемых [6].

Рекультивационные слои имели близкую к нейтральной реакцию среды, высокие показатели плотности твердой фазы 2.60–2.65 г/см³, и сложения (1.48–1.51 г/см³), низкую пористость (43%), сильную каменистость (35%). В составе обменных катионов преобладал Са. Установлено, что слои техногенных почв содержали очень низкое количество C_орг, N–NO₃. Обеспеченность подвижным Р супесчаного слоя очень высокая, суглинистого – средняя, обменным К – очень низкая и средняя, соответственно (табл. 2). Техногенная почва соответствовала потенциально плодородному слою, согласно ГОСТ 17.5.1.03–86 [10].

 

Таблица 2. Агрохимическая характеристика техногенной почвы опытного участка

Слой, см		Содержание частиц <0.01 мм, %	рНН₂О	Сорг, %	Подвижные формы, мг/кг
					N–NO₃	P₂O₅	K₂O
Супесь	0–15	12 ± 0.66	6.7 ± 0.20	0.17 ± 0.04	3.50 ± 0.26	300.0 ± 17.78	75.3 ± 11.14
Суглинок	15–37(40)	29 ± 0.72	6.9 ± 0.10	0.55 ± 0.06	5.60 ± 0.30	154.0 ± 5.00	120.5 ± 10.00
Техногенный песок	37(40)–58	4 ± 0.10	5.5 ± 0.09	0.15 ± .01	–	–	–

Примечание. ТП – техногенный песок; прочерк – не определяли.

 

Оценку степени геохимического состояния рекультивационных слоев и фоновой почвы проводили методом сравнения с ПДК(ОДК) [32], медианным содержанием элементов в аллювиальных почвах Западного Забайкалья и средним содержанием элементов в земной коре Забайкалья [15]. Фоновая почва прилегает к зоне месторождения и обогащена элементами, она не может использоваться как эталон [37]. Поэтому были рассчитаны коэффициенты концентрации, показывающие изменение среднего содержания элемента в техноземе по сравнению не только с фоном, но и с его количеством в земной коре Забайкалья, а также коэффициенты опасности (К_о), характеризующие превышение ПДК (ОДК) [7].

Концентрации всех рассмотренных элементов в фоновой почве превосходили их содержание в земной коре Забайкалья, по ряду элементов (Cd, Co, Ni, Cr, Mn) – медианный фон аллювиальных почв и в 1.4–1.5 раз превышали ПДК (ОДК) по Cr и Ni (табл. 3).

 

Таблица 3. Содержание микроэлементов и железа, коэффициенты концентрации микроэлементов в техногенной почве опытного участка

Грунт	Слой, см	Cd	Pb	Zn	Co	Ni	Mo	Cu	Cr	Mn	Fe
Валовое содержание, мг/кг
Супесь (эфель)	0–15	3.5	58.8	585.4	22.1	37.7	9.7	98.4	64.8	1600	54100
Суглинок	15–37(40)	0.9	25.0	97.5	20.5	62.2	3.5	50.2	109.0	2200	44400
Техногенный песок	37(40)–58	1.5	199.3	89.2	1.7	15.4	153.5	49.0	44.3	520	16800
Фон – аллювиальная луговая почва	0–21/24	0.8	18.3	79.3	16.3	122.5	2.9	30.8	138.1	1000	43190
Земная кора Забайкалья [18]		0.16	11	35	8	36	1.4	24	65	715
Медиана почв Забайкалья [14]		0.03	30	74	9.9	26	3.0	23	60	560
ПДК [44]		3	100	300	50	50	5	100	100	1500**
Коэффициенты концентрации (относительно фона)
Супесь (эфель)	0–15	4.4	3.2	7.4	1.4	0,3	3.3	3.2	0,5	1.6	1.3
Суглинок	15–37(40)	1.1	1.4	1.2	1.3	0.5	1.2	1.6	0.8	2.2	1.0
Техногенный песок	37(40)–58	1.9	10.9	1.1	0.1	0.1	52.9	1.6	0.3	0.5	0.4
Коэффициенты концентрации (относительно земной коры Забайкалья)
Супесь (эфель)	0–15	21.9	5.3	16.7	2.8	1.05	6.9	4.1	1.0	2.2
Суглинок	15–37(40)	5.6	2.3	2.8	2.6	1.7	2.5	2.1	1.7	3.1
Техногенный песок	37(40)–58	9.4	18.1	2.5	0.2	0.4	110	2.0	0.7	0.7
Фон – аллювиальная луговая почва	0–21/24	5.0	1.7	2.3	2.0	3.4	2.1	1.3	2.1	1.4
Коэффициент опасности (относительно ПДК/ОДК)
Супесь (эфель)	0–15	7.0	1.8	10.6	0.4	1.9	1.9	3.0	0.6	1.1
Суглинок	15–37(40)	0.4	0.2	0.4	0.4	0.8	0.7	0.4	1.1	1.5
Техногенный песок	37(40)–58	3.0	6.2	1.6	0.03	0.8	30.7	1.5	0.4	0.3
Фон – аллювиальная луговая почва	0–21/24	0.4	0.1	0.4	0.3	1.5	0.6	0.2	1.4	0.7
Обменные формы, мг/кг
Супесь (эфель)	0–15	0.9	1.7	41.6	2.4	1.1	<0.2*	7.2	1.0	111.8	Не опр.
Суглинок	15–37(40)	<0.05*	1.2	4.6	3.0	3.5	<0.2*	1.5	4.5	209.5	»
Техногенный песок	37(40)–58	<0.05*	14.9	11.9	0.6	5.0	3.2	0.4	20.7	32.0	»
Фон – аллювиальная луговая почва	0–21/24	<0.05*	0.6	2.7	2.9	7.1	<0.2*	0.5	3.5	316.8	»
ПДК [31]		0.2	6	23	5	4	–	3	6	700

* Содержание ниже предела обнаружения. ** ПДК [31].

 

Валовое содержание микроэлементов в техногенной почве было выше медианного фона для почв Забайкалья и в ряде случаев ПДК. Возможно, это объясняется привносом веществ из близлежащих участков техногенного песка, не затронутых процессом рекультивации. Наибольшие коэффициенты концентрации и коэффициенты опасности элементов характерны для супесчаного слоя, особенно для Zn и Cd, а концентрации Pb, Ni, Mo, Cu в 3 раза превышали фоновые почвы.

Для оценки степени суммарного загрязнения рекультивационных слоев использован показатель Саета [5]:

$Z_c = \sum ({\mathrm{C}}_{\mathrm{почва}} : {\mathrm{C}}_{\mathrm{фон}}) – (n – 1)$,

где С – содержание элемента, n – число элементов.

При расчетах учитывали коэффициенты концентраций элементов > 1, рассчитанных относительно фона. Согласно полученным данным, супесчаный слой характеризовался как умеренно опасный (Z_c = 18.8), суглинистый – не опасный (Z_c = 4.0) и техногенный песок – опасный (Z_c = 64.4). При расчетах Z_c с учетом коэффициентов концентрации элементов > 2 и К_o, категория суммарного загрязнения не изменялась.

По концентрации обменных форм элементов в верхнем 0–15 см слое выявлено превышение ПДК по Cd, Zn, Cu. В суглинистом слое количество элементов соответствовало нормативным показателям. Следует отметить, что подвижность микроэлементов для слоев техногенной и фоновой почвы значительно различалась:

Супесь – Cd(25.7) > Co(10.9) > Cu(7.3) > Zn(7.1) > > Mn(7.0) > Pb(2.9) = Ni(2.9) > Cr(1.5) > Mo(1).

Суглинок – Co(14.6) > Mn(9.5) > Ni(5.6) > Pb(4.8) > > Zn(4.7) > Cr(4.1) > Cu(3.0) > Mo(2.9) > Cd(2.8).

Фон – Mn(31.7) > Co(17.8) > Ni(4.1) > Zn(3.4) = = Mo(3.4) > Pb(3.3) > Cd(3.1) > Cr(2.5) > Cu(1.6).

Для биологической рекультивации использовали сеяные травосмеси с применением минеральных удобрений. Состав первой травосмеси – кострец безостый (Bromopsis inermis (Leysser.) Holub) сорта СибНИИСХоз-189 + люцерна изменчивая (Medicago × varia Martyn) сорта Флора 5 в соотношении 2 : 1; второй – кострец безостый + овсяница луговая (Festuca pratensis Hudson s. str.) сорта Дединовская 8 + люцерна изменчивая в соотношении 1 : 1 : 1. Норма высева семян – 60 кг/га. Посев осуществляли рядковым способом в первой декаде июля.

Схема опытов была единой и состояла из трех вариантов:

Площадь делянки – 10 м², повторность – четырехкратная.

При закладке опытов минеральные удобрения (аммиачная селитра, двойной суперфосфат, сернокислый калий) вносили во время посева, в последующие годы – в первой декаде июня, в начале отрастания трав.

Определение основных физических и агрохимических свойств каждого слоя почвогрунта опытного участка выполнялось общепринятыми методами [30]: гранулометрический состав – пипеточным, плотность твердой фазы – пикнометрическим, порозность – расчетным, каменистость – ситовым методом, плотность сложения – методом режущего кольца. Содержание Сорг в почве оценивалось по методу Тюрина в модификации Никитина, определяли подвижные формы основных элементов минерального питания: N–NO₃ – фотоколориметрическим методом с дисульфофеноловой кислотой, N–NН₄ с реактивом Несслера, P₂O₅и K₂O – из одной вытяжки по методу Чирикова; рН водной вытяжки – потенциометрическим методом. Накопление С_орг и обеспеченность подвижными питательными элементами техногенной почвы после четырех лет выращивания многолетних трав с применением удобрений изучалось в 0–20 см слое.

Содержание микроэлементов в грунтах определяли атомно-эмиссионным методом с ионизацией в индуктивно связанной аргоновой плазме (ICP-анализ по методике ПНД Ф.16.1:2.3:3.11-98) на приборе Spectro Arcos (Германия), обменных форм – по методу Крупского–Александровой в модификации ЦИНАО (ацетатно-аммонийная вытяжка рН 4.8). При концентрации элементов меньше предела обнаружения при расчете использовали значения, равные его половине [8].

Изучение биологической продуктивности сеяных трав 2–4 года жизни проводили в последнюю декаду июля в фазу цветения люцерны и – созревания злаковых: надземную фитомассу – укосным методом в 5-кратной повторности с площадок 1 × 1 м, подземную – методом монолитов в слое 0–20 см в 3-кратной повторности. Биопродуктивность травосмесей оценивали по градации Уиттекера [36].

Коэффициенты накопления рассчитывали как отношение содержания элемента в сухой массе растений к количеству его подвижной формы в почве [4], коэффициенты биологического поглощения – как отношение концентрации элемента в золе к его валовому количеству в почве [27]. Содержание микроэлементов в надземной и подземной фитомассах определяли после сухого озоления [29] на спектрометре ICPE-9000 (Япония).

Результаты исследований статистически обработаны с использованием программы Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Важная роль в адаптации растений к высоким концентрациям тяжелых металлов в окружающей среде принадлежит физиолого-биохимическим механизмам. Способность растений поддерживать интенсивность фотосинтеза и дыхания на необходимом уровне, а также сохранение оптимального водного режима и минерального питания обеспечивает их рост и развитие даже в неблагоприятных внешних условиях [18].

Разнотравно-злаковый луг фонового участка расположен на геохимически аномальной почве, и микроэлементный состав растений по сравнению с растениями суши, характеризуется повышенными концентрациями Cd, Pb, Co, Mo и трехкратным превышением ПДК по Cr (табл. 4).

 

Таблица 4. Содержание микроэлементов в сухом веществе сеяных травостоев на техногенной почве при применении минеральных удобрений, мг/кг (среднее за 3 года)

Вариант	Зола, %	Cd	Pb	Zn	Co	Ni	Mo	Cu	Cr	Mn	Fe
Кострец безостый + люцерна изменчивая
Контроль	7.95 12.9	0.7 2.1	1.5 3.0	22.1 86	1.1 2.8	1.8 7.4	8.0 1.6	1.9 10.7	3.3 25.1	247 1829	995 4272
N30P15K30	7.3 11.0	0.6 1.9	0.2 2.5	10.9 44	0.9 2.3	1.9 5.4	3.0 1.1	1.1 7.0	2.4 16.2	189 1703	967 4351
N60P30K60	6.1 11.8	0.5 2.4	0.4 4.4	18.9 78	0.6 2.7	1.1 3.6	1.8 1.6	1.7 11.5	1.5 16.4	127 1701	627 5470
НСР	0.34 0.26	0.03 0.20	0.25 0.20	1.7 1.39	0.14 0.23	0.15 0.37	0.12 0.28	0.11 0.12	0.24 0.45	11.89 10.36	9.38 68.83
Кострец безостый + овсяница луговая + люцерна изменчивая
Контроль	7.4 10.0	0.7 1.6	0.3 1.8	22.5 72.4	0.9 2.2	2.1 5.2	5.3 1.4	0.7 8.6	2.8 11.0	357 1590	432 3758
N30P15K30	6.3 8.5	0.7 1.2	0.2 1.7	12.5 58.7	1.0 1.8	1.4 4.9	1.9 1.2	1.4 4.4	2.2 17.0	344 1407	352 2915
N60P30K60	6.8 8.7	0.6 2.0	0.2 1.6	16.7 67.9	0.9 2.1	1.4 4.7	2.6 1.5	1.3 8.1	2.1 15.1	343 1514	198 3202
НСР	0.78 0.10	0.03 0.20	0.03 0.03	0.31 1.75	0.26 0.14	0.15 0.12	0.31 0.08	0.22 0.31	0.37 0.73	4.0 20.03	14.81 124.20
Разнотравно-злаковый луг
Фон	7.3 13.2	0.3 1.2	4.9 19.7	13.9 43.5	0.7 7.4	1.9 23.4	2.2 4.9	4.9 18.5	1.5 15.9	49.0 644	60.0 6238
Растительность суши [11]		0.035	1.25	30	0.5	2.0	0.5	8.0	1.8	205
ПДК, MДУ (РФ) [31]		0.3	5	50	1	3	2	30	0.5	300	100

Примечание. Над чертой – содержание элемента в надземной массе; под чертой – в подземной массе.

 

При анализе данных микроэлементного состава сеяных трав обоих опытов по сравнению с растениями фонового участка, выявлены превышения содержания по Cd, Zn, Co, Mo, Cr, Mn, Fe; по сравнению с растительностью суши – по Cd, Co, Mo, Cr, Mn. В сухом веществе растений в контроле установлено, что концентрации ряда элементов были выше ПДК: Cd – в 2.3 раза, Cr – в 5.6–6.6; Mo – в 2.6–4.0. Влияние минеральных удобрений выразилось в снижении этих показателей.

Количество Mn в зеленой массе растений в первом опыте было в пределах нормы, во втором – несколько повышенное. Особенностью макроэлементного состава первой травосмеси являлось высокое содержание Fe, превосходящее критический уровень (750 мг/кг) в 1.3 раза [17]. Способность растений к поглощению этого элемента различна и, помимо почвенно-климатических условий, также зависит от фазы роста и развития растений. Природное содержание Fe в кормовых травах изменяется от 18 до 1000 мг/кг сухой массы. Бобовые травы способны накапливать больше Fe, чем злаковые [45]. Разница в концентрациях данного элемента в первой и второй травосмесях обусловлена соотношением слагающих их видов. Однако высокие концентрации Fe не вызывали угнетения развития растений.

Удобрения, как правило, снижали содержание элементов в растениях. Следует отметить барьерную биогеохимическую функцию корневой системы трав, накапливающей значительное количество микроэлементов (кроме Mo), которая в большей степени проявлялась в удобренных вариантах.

 

Таблица 5. Коэффициенты накопления микроэлементов в сухом веществе сеяных травостоев

Вариант	Cd	Pb	Zn	Co	Ni	Mo	Cu	Cr	Mn
Кострец безостый + люцерна изменчивая
Контроль	0.8	0.9	0.5	0.5	1.6	80.0	0.3	3.3	2.1
N30P15K30	0.7	0.1	0.3	0.4	1.7	30.0	0.2	2.4	1.6
N60P30K60	0.6	0.2	0.4	0.2	1.0	18.0	0.2	1.5	1.1
Кострец безостый + овсяница луговая + люцерна изменчивая
Контроль	0.8	0.2	0.5	0.4	1.9	53.0	0.1	2.8	3.0
N30P15K30	0.8	0.1	0.3	0.4	1.3	19.0	0.2	2.2	2.9
N60P30K60	0.7	0.1	0.4	0.4	1.3	26.0	0.2	2.1	2.9
Разнотравно-злаковый луг
Фон	1.2	16.3	5.1	0.2	0.3	22.0	9.8	0.4	0.15

 

Коэффициенты накопления микроэлементов в сухом веществе надземной массы сеяных трав (табл. 5) свидетельствуют о значительном концентрировании Mo. Этот элемент характеризуется безбарьерным типом поглощения, что вызвано его аниогенными свойствами, обусловливающими более высокую подвижность в нейтральной и слабощелочной среде, тогда как большинство других элементов в этих условиях малоподвижны [19]. Следует отметить, что в удобренных вариантах, в связи с большим продуцированием растениями биомассы, коэффициенты накопления Мо в сухом веществе трав обеих травосмесей значительно снижались, приближаясь к уровню фонового участка.

 

Таблица 6. Коэффициенты биологического поглощения зольных элементов фитомассой сеяных травостоев в зависимости от минеральных удобрений

Фитомасса	Cd	Pb	Zn	Co	Ni	Mo	Cu	Cr	Mn	Fe
Кострец безостый + люцерна изменчивая, контроль
Надземная	2.6	0.3	0.5	0.6	0.6	10.3	0.2	0.6	1.9	0.2
Подземная	4.7	0.4	1.1	1.0	1.5	1.3	0.8	3.0	8.8	0.6
N30Р15К30
Надземная	2.4	0.04	0.25	0.6	0.7	4.2	0.15	0.5	1.6	0.25
Подземная	4.8	0.4	0.7	0.9	1.3	1.1	0.7	2.3	9.6	0.7
N60Р30К60
Надземная	2.1	0.1	0.5	0.4	0.5	3.0	0.3	0.4	1.3	0.2
Подземная	5.9	0.6	1.1	1.1	0.8	1.4	1.0	2.1	9.0	0.9
Кострец безостый + овсяница луговая + люцерна изменчивая, контроль
Надземная	2.5	0.07	0.5	0.6	0.7	7.4	0.1	0.6	3.0	0.1
Подземная	4.7	0.3	1.2	1.0	1.4	1.4	0.9	1.9	9.9	0.7
N30Р15К30
Надземная	2.9	0.06	0.3	0.7	0.6	3.0	0.2	0.5	3.4	0.1
Подземная	3.9	0.3	1.2	1.0	1.5	1.5	0.5	3.1	10.3	0.6
N60Р30К60
Надземная	2.7	0.04	0.4	0.6	0.5	4.0	0.2	0.5	3.1	0.05
Подземная	6.5	0.3	1.3	1.1	1.4	1.8	0.9	2.7	9.5	0.7
Фон – разнотравно-монгольскополевицевый луг
Надземная	5.1	3.7	2.4	0.6	0.2	10.4	2.2	0.14	0.7	0.01
Подземная	11.4	8.2	4.1	3.4	1.4	12.8	4.6	0.9	4.9	1.1
Надземная растительность суши [11]	0.44	1.5	11.76	1.37	1.59	9.69	2.27	1.03	6.86

 

Таблица 7. Интенсивность биологического поглощения (Ах) элементов фитомассой сеяных трав при внесении минеральных удобрений

Фитомасса	Группы элементов биологического поглощения
	Очень интенсивного накопления, А × 10–100	среднего и интенсивного накопления, А × 1–10	среднего захвата, А × 0.1–1	cлабого захвата, А × < 0.1
Кострец безостый + люцерна изменчивая Контроль
Надземная	Мо	Cd > Mn	Co = Ni = Cr > Zn > Pb > Cu = Fe
Подземная		Mn > Cd > Cr > Ni > Mo > Zn > Co	Cu > Fe > Pb
N30Р15К30
Надземная		Mo > Cd > Mn	Ni > Co > Cr > Zn = Fe > Cu	Pb
Подземная		Mn > Cd > Cr > Ni > Mo	Co > Zn = Cu = Fe > Pb
N60Р30К60
Надземная		Mo > Cd > Mn	Zn = Ni > Co = Cr > Cu > Fe > Pb
Подземная		Mn > Cd > Cr > Mo > Zn = Co > Cu	Fe > Ni > Pb
Кострец безостый + овсяница луговая + люцерна изменчивая Контроль
Надземная		Mo > Mn > Cd	Ni > Co = Cr > Zn > Fe = Cu	Pb
Подземная	Mn	Cd > Cr > Ni = Mo > Zn > Co	Cu > Fe > Pb
N30Р15К30
Надземная		Mn > Mo > Cd	Co > Ni > Cr > Zn > Cu > Fe	Pb
Подземная	Mn	Cd > Cr > Ni = Mo > Zn > Co	Fe > Cu > Pb
N60Р30К60
Надземная		Mo > Mn > Cd	Co > Ni = Cr > Zn > Cu	Fe > Pb
Подземная		Mn > Cd > Cr > Mo > Ni > Zn > Co	Cu > Fe > Pb
Фон – разнотравно-монгольскополевицевый луг
Надземная	Мо	Cd > Pb > Zn > Cu	Mn > Co > Ni > Cr	Fe
Подземная	Мо > Cd	Pb > Mn > Cu > Zn > Co > Ni > Fe	Cr

 

По данным табл. 6, 7 интенсивность биологического поглощения элементов фитомассой сеяных трав практически не различалась по вариантам обоих опытов. Надземная масса растений характеризовалась однотипным набором элементов групп очень интенсивного, среднего и интенсивного накопления, представленных Мо, Mn, и Cd, и более широким спектром элементов группы среднего захвата. В подземной массе большая часть элементов отнесена к группе среднего и интенсивного накопления, что свидетельствует о ее фитостабилизационной роли.

Общеизвестно, что уровень общих запасов фитомассы растительных сообществ определяется биологическими особенностями возделываемых культур и зависит от свойств почв. Травосмеси с участием бобовых и злаковых трав имеют преимущество перед монокультурами. Они представляют собой надежную оптико-биологическую систему, обеспечивающую рациональное соотношение величин высоты и облиственности растений и конечной их продуктивности [24].

 

Таблица 8. Биологическая продуктивность сеяных травосмесей в зависимости от года жизни трав и минеральных удобрений, г/(м² год)

Вариант	Год жизни трав
	второй				третий				четвертый
	1	2	3	4	1	2	3	4	1	2	3	4
Кострец безостый + люцерна изменчивая (2 : 1)
Контроль	299	91	208	2.3	864	272	592	2.2	1080	372	708	1.9
N30P15K30	658	386	272	0.7	1967	1167	800	0.7	1846	602	1244	2.1
N60P30K60	1281	865	416	0.5	1679	943	736	0.8	1925	661	1264	1.9
НСР 0.5	38	46	19		88	68	44		89	38	57
Кострец безостый + овсяница луговая + люцерна изменчивая (1 : 1 : 1)
Контроль	301	156	145	0.9	1016	648	368	0.6	899	456	443	1.0
N30P15K30	800	422	378	0.9	3182	2590	592	0.2	1826	656	1170	1.8
N60P30K60	1346	706	640	0.9	1798	898	900	1.0	1698	824	874	1.1
НСР0.5	60	59	22		90	66	75		59	35	41

Примечание. 1 – общая фитомасса; 2 – надземная; 3 – подземная; 4 – отношение подземной фитомассы к надземной.

 

На второй год жизни фитоценозы не различались по запасам общей фитомассы в контроле, их продуктивность оценивалась как низкая (табл. 8). Использование минеральных удобрений в дозе N30P15K30 достоверно увеличивало данный показатель в 2.2–2.7 раза, в дозе N60P30K60 – в 4.3–4.5 раза в первой и во второй травосмеси соответственно.

На третий год жизни сеяных трав отмечено закономерное возрастание их общей фитомассы во всех вариантах. Ее количество в контроле увеличилось в 2.9–3.4 раза, в варианте N30P15K30 – в 3.0–4.0, а при повышенной дозе удобрений – в 1.3 раза в первом и втором опытах соответственно. Продуктивность травосмесей оценивалась как средняя в контроле и высокая в удобренных вариантах. Очевидно, что максимальные запасы общей фитомассы обусловлены лучшим развитием растений люцерны за счет увеличения кустистости в вариантах с пониженной дозой азота.

Травы обоих опытов, достигнув своего максимального развития, на четвертый год жизни сформировали относительно высокие запасы общей биомассы. При этом не было выявлено достоверных различий в удобренных вариантах первого опыта, а во втором – эффективным оказалось внесение пониженных доз удобрений.

При биологической рекультивации техногенных ландшафтов большое значение имеют размеры формирования дернины под многолетними сеяными травами, инициирующей образование органического вещества в почве. Травосмеси накапливали подземную массу преимущественно в верхнем 0–20 см слое. Это свидетельствует о своеобразном приспособлении растений к специфическим условиям среды обитания и обусловливает эрозионную устойчивость техногенных почв. Ее количество определялось разным соотношением видов в составе травостоя и особенностями строения их корневой системы.

 

Таблица 9. Накопление органического углерода и обеспеченность подвижными питательными элементами техногенной почвы после четырех лет выращивания многолетних трав с применением удобрений

Вариант	Сорг, %	рН	Подвижные формы, мг/кг		N–NO₃	N–NH4
			Р2О5	K₂O	мг/кг
Кострец безостый + люцерна изменчивая (2 : 1)
Контроль	0.19	6.5	358	77	0.45	17.5
N30P15K30	0.27	6.6	400	122	2.30	30.0
N60P30K60	0.45	6.5	375	110	1.70	25.0
НСР0.5 от контроля	0.06
НСР0.5 от исходного содержания	0.04
Кострец безостый + овсяница луговая + люцерна изменчивая (1 : 1 : 1)
Контроль	0.27	6.7	357	67	1.00	20.0
N30P15K30	0.33	6.4	487	115	4.30	35.0
N60P30K60	0.42	6.2	475	200	3.70	37.5
НСР0.5 от контроля	0.05
НСР0.5 от исходного содержания	0.04

 

Внесение удобрений увеличивало накопление растениями подземной массы в обеих травосмесях в течение всех лет наблюдения, достигая максимума к четвертому году жизни трав. Ее долевое участие в общих запасах было различным. На второй год жизни трав в первом опыте оно снижалось с 70% в контроле до 41–33% в удобренных вариантах пропорционально внесенной дозе, а во втором оставалось на уровне 47–48% во всех вариантах. К концу периода наблюдений этот показатель увеличился до 65–67% в первом опыте и до 64% в варианте с пониженной дозой удобрений второго опыта. Биомасса растений трехкомпонентной травосмеси в контроле и в варианте с применением N60P30K60 характеризовалась равным долевым участием надземной и подземной массы, не превышающим 50%. Таким образом, растения обеих травосмесей накапливали большее количество подземной массы на варианте с применением минеральных удобрений в дозе N30P15K30.

После четырех лет возделывания сеяных травостоев с применением минеральных удобрений содержание органического вещества в слое 0–10 см возросло по сравнению с его исходным количеством (табл. 9): под первой травосмесью с внесением N30P15K30 – в 1.6 раза, при дозе N60P30K60 – в 2.6; под второй травосмесью – в 1.9 и 2.5 раза соответственно. Это связано со структурой корневых систем. Проведенное ранее изучение относительного содержания живых и мертвых корней по фракциям подземной фитомассы в сообществах остепненных пойменных лугов подтвердило закономерность, общую для травянистых биогеоценозов, о недолговечности и постоянном обновлении мелких корней, которые являются стабильным и существенным источником пополнения органического вещества почвы [25]. Фракция мелких корней на 92–98% гумифицирована. Степень развитости поглощающих корней в верхнем слое почвы определяет способность многолетних трав конкурировать за элементы питания, содержащиеся в удобрениях. Длиннокорневищные злаки благоприятнее реагируют (особенно при достаточном увлажнении) на внесение минеральных удобрений. Следует отметить, что вымершая на третий год жизни овсяница луговая образовала мощную мочковатую корневую систему, которая к концу четвертого года травостоя была почти гумифицирована, как и мелкие корни костреца безостого и люцерны посевной. Все это способствовало процессу образования органического вещества в техногенной почве, несмотря на временно небольшие концентрации С_орг, обусловленные недостаточной длительностью выращивания трав, что неоднократно отмечалось на загрязненных или техногенных почвах [27].

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что внесение удобрений способствовало увеличению биопродуктивности сеяных злаково-бобовых травосмесей с низкого уровня в контрольных вариантах до среднего на второй год жизни трав и до высокого – на третий. На четвертый год сформировалась дернина, закрепляющая поверхностные слои техногенной почвы. При этом в обоих опытах наиболее эффективной была доза N30P15K30.
2. Отличия сеяных злаково-бобовых травостоев по биопродуктивности и формированию дернины зависели от соотношения видов в составе смеси. На удобренных вариантах трехкомпонентная травосмесь превосходила двухкомпонентную по этим показателям на 2 и 3 годы жизни трав и практически не отличалась от нее на 4 год вегетации из-за разной интенсивности усвоения элементов минерального питания злаками и бобовыми.
3. Выявлено, что удобрения, оптимизируя обеспеченность NPK в техноземе, снижали концентрацию микроэлементов в растениях и коэффициенты их накопления. Интенсивность биологического поглощения элементов фитомассой сеяных трав практически не различалась по вариантам обоих опытов: большая часть элементов в надземной фитомассе отнесена к группе среднего захвата, в подземной – среднего и интенсивного поглощения, что свидетельствует о ее фитостабилизационной роли.
4. После четырех лет возделывания сеяных травостоев с применением минеральных удобрений содержание С_орг в слое 0–10 см возросло по сравнению с его исходным количеством: под первой травосмесью с внесением N30P15K30 в – 1.6 раза, при дозе N60P30K60 – в 2.6 раза; под второй травосмесью – в 1.9 и 2.5 раза соответственно.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследования выполнены по теме бюджетного проекта № 121030100228-4.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

L. N. Boloneva

Institute of General and Experimental Biology SB RAS

Email: ldm-boloneva@mail.ru
Russian Federation, Ulan-Ude, 670047

I. N. Lavrentieva

Institute of General and Experimental Biology SB RAS

Author for correspondence.
Email: ldm-boloneva@mail.ru
Russian Federation, Ulan-Ude, 670047

M. G. Merkusheva

Institute of General and Experimental Biology SB RAS

Email: ldm-boloneva@mail.ru
Russian Federation, Ulan-Ude, 670047

L. L. Ubugunov

Institute of General and Experimental Biology SB RAS

Email: ldm-boloneva@mail.ru
Russian Federation, Ulan-Ude, 670047

V. L. Ubugunov

Institute of General and Experimental Biology SB RAS

Email: ldm-boloneva@mail.ru
Russian Federation, Ulan-Ude, 670047

S. B. Sosorova

Institute of General and Experimental Biology SB RAS

Email: ldm-boloneva@mail.ru
Russian Federation, Ulan-Ude, 670047

References

Supplementary files