Взаимное влияние кремниевых, фосфорных и азотных удобрений в системе почва-растение

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯНа правах рукописиМатыченков Иван ВладимировичВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ КРЕМНИЕВЫХ, ФОСФОРНЫХ И АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ ВСИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕСпециальность: 06.01.04 -агрохимияДиссертацияна соискание ученой степеникандидата биологических наукНаучный руководитель:доктор биологических наук, профессорЕ.П. ПахненкоМосква 2014Содержаниестр.Введение3Глава 1.

Литературный обзор71.1 Соединения кремния в природе71.2 Биогеохимический круговорот кремния в системе почва-растение121.3 Предыстория кремниевых удобрений141.4 Начало использования кремниевых удобрений151.5 Современные тенденции.211.6 Виды кремниевых удобрений и почвенных мелиорантов221.7 Влияние кремниевых удобрений на рост растений и их взаимодействие с25питательными элементами2. Объекты и методы исследования352.1 Объекты исследования352.2. Методы исследования422.3.Эксперименты443. Полученные результаты493.1. Взаимовлияние кремниевых удобрений и фосфатов493.2.

Взаимодействие кремниевых и азотных соединений703.3. Комплексное влияние кремниевых удобрений вместе с другими77удобрениями на растения3.4. Влияние активных форм кремния на начальные стадии развития80сельскохозяйственных растений3.5 Влияние активных форм кремния на солеустойчивость ячменя и ятрофы107Выводы112Список используемой литературы116Приложения1352ВведениеАктуальность проблемы.Деградация почвенного покрова, загрязнение окружающей среды, снижение качествасельскохозяйственных продуктов, глобальные изменения климата, дефицит энергоресурсовтребуютширокоговысокоэффективныхвнедренияметодовновых,веденияэкологическисельскогобезопасныххозяйства.Воивместемногомстемдеградациясельскохозяйственных угодий и снижение качества сельскохозяйственной продукции связаны снесбалансированным питанием растений (Аристархов, Минеев, 2000, Безуглов, Гогмачадзе, 2008,Курганова, 2002, Минеев, 1990).

О необходимости возврата вынесенного с урожаем кремниянастаивал автор теории минерального питания растений Ю. Либих (1864), оперируя данными обобщем содержании кремния в растениях, моно и поликремниевых кислотах в почвах. В своемтруде «Химия в приложении к земледелию» Ю Либих указывал на четыре основах макроэлемента– азот, фосфор калий и кремний. Высокая распространенность кремния в почве (от 200 до 350 гSi кг-1 в глинистых почвах и от 450 до 480 г Si кг-1 в песчаных) обеспечивает значимую рольэлемента в процессах почвообразования и формировании плодородия почв (Ковда, 1985). Крометвердых форм кремния, представленных различными минералами, в почве и почвенных водахсодержатся растворимые формы Si: мономеры и полимеры кремниевой кислоты (Матыченков,2007). Растений, в том числе и культурные, поглощают только мономеры кремниевой кислоты иее анионы (Yoshida, 1975; Ma & Takahashi, 2002).

Ежегодно сельскохозяйственными растениямибезвозвратно выносится от 20 до 700 кг/га Si (Базилевич и др.,1975; Bocharnikova, Matichenkov,2012). Эта величина сопоставима с вынос таких макроэлементов как фосфор, азот и калий.Поскольку кремний является структурообразующим почвенным элементом, влияющим науровень почвенного плодородия, постоянный его вынос приводит к ускорению деградации почв(Матыченков, 2008). Возникающий в результате дефицит кремния как питательного элементарезко снижает природные защитные свойства сельскохозяйственных растений, что приводит какк снижению урожайности, так и необходимости увеличивать дозы средств химической защитырастений, что отрицательно влияет на качество продукции (Куликова, 2012).Использование кремниевых удобрений и кремний-содержащих мелиорантов важно сточки зрения восстановления природного баланса питательных элементов в системе почварастений, снижения скорости деградационных процессов и получения стабильных урожаеввысокого качества.

Однако разобщенность сведений по данному виду удобрений, отсутствие3единого подхода и методологии в изучении и внедрении кремниевых удобрений в практику, атакже отсутствие обобщенного теоретического материала о взаимодействии кремниевыхудобрений с традиционными минеральными удобрениями существенно замедляют процессширокого применения этих удобрений. Без понимания этих процессов широкое практическоеиспользованиеновогоклассаудобренийипочвенныхмелиорантовможетбытьмалоэффективным.Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось изучение особенностейи механизмов взаимовлияния кремниевых удобрений с фосфорными и азотными удобрениями иих влияние на рост и развитие сельскохозяйственных растений.Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:1.

Определить основные механизмы взаимодействия активных соединений кремния ссоединениями фосфора в системе почва-растение.2. Изучить влияние соединений кремния на эффективность азотных удобрений.3. Исследовать влияние традиционных минеральных удобрений на содержание активныхформ кремния в растениях и совместное влияние этих удобрений на рост и развитиерастений на примере кукурузы.4. Определить основные прямые и опосредованные механизмы влияния кремниевыхудобрений и кремнийсодержащих мелиорантов на рост и развитие рядасельскохозяйственных растений, их урожай и качество получаемой продукции вусловиях оптимального минерального питания.5. Выявить механизмы действия активных соединений кремния на солеустойчивостьрастений на примере травянистых и древесных культур в условиях минеральногопитания.Положения, выносимые на защиту1.

Применение кремниевых удобрений совместно с традиционными минеральнымиудобрениями позволяет существенно повысить качественные и количественныепоказатели выращиваемой сельскохозяйственной продукции в условиях устойчивогоземледелия.2. Основные механизмы взаимодействия активных соединений кремния с фосфорнымиудобрениями и соединениями фосфора в почвах: реакция замещения силикат-аниономфосфат-аниона в фосфатах кальция и магния и физическая адсорбция подвижныхфосфатов на поверхности вносимых силикатов.43.

Совместное внесение азотных и кремниевых удобрений повышает усвояемость азотныхудобрений и снижает их негативное влияние на качество сельскохозяйственнойпродукции.4. Одним из основных механизмов повышения солеустойчивости растений прииспользовании кремниевых удобрений является снижение скорости движения натрия попроводящей системе растения.Место проведения работы.

Исследования проводили на базе Московского государственногоуниверситета им. М.В. Ломоносова, факультета почвоведения и Института фундаментальныхпроблем биологии РАН, г Пущино Московской области.Научная новизна работы. Определены основные механизмы влияния активных форм кремнияна поведение фосфатов в почве. Доказано, что повышение концентрации монокремниевойкислоты в почвенном растворе приводит к реакции замещения фосфат-аниона на силикат-анионпри рН> 2 для фосфатов кальция и при рН> 4 для фосфатов магния.Показана возможность адсорбции подвижных фосфатов на поверхности внесенныхкремниевых удобрений, что снижает вынос фосфатов из верхних горизонтов легких почв. Данныемеханизмы позволяют повысить эффективность фосфорных удобрений. Впервые проведеносравнение развития растений при различных условиях минерального питания и различныхуровнях солевой токсикации.

Показано наличие механизма повышения солеустойчивостирастений посредством снижения интенсивности транспорта натрия по апопласту. Действиеданного механизма усиливается от корней к стеблю и затем к листьям. Наличие дополнительногоисточника активных форм кремния может также привести к блокировке натрия в самих корнях.Впервые показано, что кремниевые удобрения повышают солеустойчивость древесных культур.Установлена способность клеточных стенок корней растений ячменя препятствоватьпоступлению натрия из апопласта в симпласт, тогда как клеточные стенки стеблей и листьевтакой способностью не обладают.Теоретическая и практическая значимость.

Показана целесообразность использованиякремниевых удобрений совместно с традиционными минеральными удобрениями, что позволяетповысить эффективность традиционных удобрений и получать большие урожаи лучшегокачества. Полученные результаты свидетельствуют о возможности повышения солеустойчивоститравянистых и древесных культур при комплексном использовании кремниевых удобренийсовместно с традиционными минеральными удобрениями. Апробирована технология активацииприродных фосфатов, позволяющая повысить в них долю доступного для растений фосфора и5снизить подвижность тяжелых металлов. Получаемые в результате фосфорно-кремниевыеудобрения могут быть использованы для выращивания экологически чистой продукции.Соотвествие диссертации паспорту научных специальностей.

В соотвествии с формулойспециальности 06.01.04 «Агрохимия», охватывающей проблемы разработки методов и средстврационального применения удобрений как основы получения высоких урожаев культурныхрастений, экологически чситой продукции и повышения плодородия почв в диссератционномисследовании изложены подходы к совершенествованию систем удобрений в севооборотах (п.1.6), рассмотрение влияние разных видов кремниевых удобрений на повышение урожаясельскохоязйственных растений и плодородия почв (п. 1.3)Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на международных ивсероссийских конференциях, в том числе: на 5-й международной конференции «Si в сельскомхозяйстве» (Китай, Пекин, 2011); международной конференции «Биология – наука XXI века»(Москва, 2012); XIX международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных«Ломоносов» (Москва, 2012). XX международной конференции студентов, аспирантов и молодыхучёных «Ломоносов» (Москва, 2013).Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 в изданиях,рекомендованных ВАК РФ.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, обзора литературы,описния объектов и методов исследований, результатов и их обсуждения, выводов, спискалитературы и приложения. Работа изложена на 136 страницах, содержит 39 рисунков, 30 таблиц.Список публикаций из 274 наименования, в том числе 160 на иностранных языках.6«Насколько вода является уникальной жидкостью,настолько и аморфный кремнезем уникален как твердое вещество.Они во многом схожи.»Ральф АйлерГлава 1Литературный обзор.Изучение кремния как важного элемента питания растений было начато одновременно стакими макроэлементами как фосфор, калий, азот (Либих, 1865).