Россия
Рязань, Рязанская область, Россия
Цель исследований – повышение продуктивности рапса и качества его семян при использовании в качестве удобрений цеолитсодержащих пород в почвенно-климатических условиях Липецкой области. Полевые исследования проводились в 2019-2021 гг. в условиях Липецкой области на опытном поле Елецкого государственного университета имени И. А. Бунина. Предшественником в опыте была озимая пшеница. Посев рапса осуществляли в III декаде апреля с нормой высева 2,0 млн шт./га. Изучались следующие варианты опыта: 1) Контроль; 2) N60P60K60; 3) Цеолит 5 т/га; 4) N60P60K60 + Цеолит 5 т/га. Для определения метаболомного профиля спиртовых экстрактов листьев рапса использовали метод газовой хромато-масс-спектрометрии. Анализ состояния устьиц и пыльцы рапса осуществляли с помощью сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что цеолит оказывал влияние на размер устьиц и пыльцевых зёрен рапса. Размер устьиц по исследуемым вариантам можно представить в виде следу-ющего убывающего ряда: Контроль > N60P60K60 > Цеолит 5 т/га > N60P60K60 + Цеолит 5 т/га. Максимальные изменения 26,81-42,12 мкм полярной оси пыльцы отмечались на варианте N60P60K60 + Цеолит 5 т/га. Установлено, что основными первичными метаболитами в листьях рапса является углевод лактоза и сахарные спирты рибитол и арабитол. Преимущественную долю составляет лактоза, в зависимости от вариантов опыта площадь пика которой варьирует от 11,06 до 37,6 %. Максимальная урожайность – 29,1 ц/га – отмечена на варианте N60P60K60 + Цеолит 5 т/га, что превышало контроль на 69 %.
яровой рапс, метаболиты, цеолит, урожайность, пыльца, качество
Рапс – это масличная культура, которая широко распространена в мире. Это однолетнее растение имеет мощную корневую систему, прямостоячий хорошо облиственный стебель. Существуют две формы рапса: озимая и яровая. Урожайность семян и выход масла ярового рапса примерно на 30% ниже, чем у озимого [2, 3, 14]. При соответствующих погодных условиях и оптимальной технологии выращивания яровой рапс может давать зерна почти столько же, сколько озимый [8, 15, 16].
В России возделывают в основном яровые формы рапса. В 2019 г. общие посевные площади под рапсом составляли 1546 тыс. га, из них на долю озимого рапса приходилось 12,4 %, на долю ярового – 87,6 %. Доля посевных площадей увеличилась благодаря введению рапса в севооборот в основных регионах возделывания, а именно в Северо-западном, Центральном Нечерноземном, Черноземном, Сибирском и др.
Важным элементом в технологии возделывания рапса является минеральное питание растений [5, 6, 12]. Цеолиты – это природные кристаллические алюмосиликаты. Они являются наиболее распространенными минералами [1, 4, 9, 13]. Поры и пустоты являются ключевыми характеристиками цеолитовых материалов. Поры и связанные между собой пустоты заняты катионами и молекулами воды. Они могут использоваться как в качестве носителей питательных веществ, так и в качестве среды для свободных питательных веществ. Цеолиты являются важными материалами с очень широким применением в сельском хозяйстве и экологической инженерии. Установлено, что внесение цеолита в почву повышает урожайность сельскохозяйственных культур и повышает эффективность использования питательных веществ [13]. Учёными В. С. Крутилиной и др. [7] установлено, что применение цеолита повышает фотосинтетическую активность, а, следовательно, и биологическую урожайность сельскохозяйственных культур. На качество пыльцевых зёрен оказывают влияние многие факторы, в том числе и питание растений [11]. Метаболиты растений помимо участия в различных биохимических реакциях, играют важную роль в их защите [13].
Использование цеолитов в качестве удобрений является весьма актуальным вопросом в производстве масличных культур, а такие показатели, как метаболиты растений, размеры пыльцевых зёрен и устьиц растений в совокупности могут оказывать влияние на продуктивность сельскохозяйственных растений.
Цель исследований – повышение продуктивности рапса и качества его семян при использовании в качестве удобрений цеолитсодержащих пород в почвенно-климатических условиях Липецкой области.
Задачи исследований – дать оценку морфо-биохимическим показателям ярового рапса (размеру устьиц и пыльцы, содержания первичных метаболитов), урожайности рапса и качества семян в зависимости от используемых в опыте удобрений.
Материалы и методы исследований. Исследования проводили на опытных полях Елецкого государственного университета имени И. А. Бунина в 2019-2021 гг. Объект исследования – яровой рапс сорта Риф. В качестве природных минералов использовали природный цеолит Тербунского месторождения. Химический состав природного цеолита (масс %): Na (0,1), Mg (0,9), Al (9,4), Si (21,3), Р (0,4), S (0,3), К (1,6), Са (0,8), Fe (2,3), Cо (9,5), Ni (3,4), Cu (0,3), Zn (1,1), Mo (1,2).
Схема опыта: 1) Контроль; 2) N60P60K60; 3) Цеолит 5 т/га; 4) N60P60K60 + Цеолит 5 т/га. В проведённых исследованиях использовали азофоску, дозы рассчитаны на урожайность семян 2,0 т/га с корректировкой расчета баланса элементов питания на опытных почвах в условиях региона.
Погодные условия в годы исследований складывались благоприятно при ГТК в 2019 г. – 0,98, в 2020 г. – 1,28, в 2021 г. – 1,03 (рис. 1).
Предшественником в опыте была озимая пшеница. Посев рапса осуществляли в III декаде апреля с нормой высева 2,0 млн шт./га. Уход за посевами складывался из обработки посевов против сорняков препаратом Галион 0,3 л/га (действующее вещество – клопиралид 300 г/л + пиклорам
75 г/л). Против крестоцветной блохи и рапсового цветоеда растения рапса обрабатывали препаратом Карате Зеон 0,15 л/га (действующее вещество лямбда-цигалотрин 50 г/л). Удобрения и природный цеолит вносили весной перед культивацией. Общая площадь опытных делянок составляла 50 м2, учётных – 40 м2. Повторность опыта четырёхкратная. Уборку ярового рапса проводили в третьей декаде августа.
Рис. 1. Погодные условия за 2019-2021 гг.
В опытах использовали технологию возделывания ярового рапса, общепринятую для региона. Для определения метаболомного профиля спиртовых экстрактов листьев рапса использовали метод газовой хромато-масс-спектрометрии. Идентификация веществ и количественное определение их концентраций осуществлялось путем сравнения со значениями и масс-спектрами NIST-5 (Библиотека Национального института стандартов и технологий США). Анализ состояния устьиц и пыльцы рапса осуществляли с помощью сканирующей электронной микроскопии аналитическим электронным микроскопом «EVO 50 XVP» (Carl Zeiss). Содержание жира в маслосеменах рапса определяли методом Сокслетта.
Результаты исследований. Результаты сканирующей электронной микроскопии позволили установить некоторые различия по вариантам исследования в отношении устьиц листовых пластинок и пыльцевых зёрен рапса. В вариантах с внесением цеолита устьица были гораздо крупнее, чем на контроле, с хорошо просматриваемой устьичной щелью (рис. 2). Длина устьиц находилась в пределах 13,91-18,21 мкм. Следует отметить, что длина устьиц была максимальной на вариантах с применением цеолита в комплексе с минеральными удобрениями (18,21 мм). Размер устьиц по исследуемым вариантам можно представить в виде следующего убывающего ряда: Контроль > N60P60K60 > Цеолит 5 т/га > N60P60K60 + Цеолит 5 т/га. Главное свойство цеолитов – поглощать, а потом постепенно отдавать воду при заданных параметрах температуры и влажности. Можно предположить, что в условиях опыта с применением цеолита растения были обеспечены водой, что и повлияло на размеры устьиц.
Сканирование пыльцы позволило установить, что пыльцевые зёрна рапса имели продолговато-эллипсоидную форму (рис. 3). В вариантах опыта с минеральным удобрением (N60: P60: K60) размер полярной оси был ниже, чем на контроле. В вариантах минерального удобрения (N60: P60: K60) совместно с цеолитом (5 т/га) и с цеолитом в чистом виде (5 т/га) – выше, чем на контроле. Пределы изменения полярной оси пыльцы в зависимости от типа эксперимента варьировались следующим образом: 21,56-41,52 мкм – Контроль; 24,59-41,63 мкм – N60P60K60; 25,31-41,91 мкм – Цеолит 5 т/га; 26,81-42,12 мкм – N60P60K60 + Цеолит 5 т/га.
|
|
|
|
Рис. 2. Устьице абаксиальной стороны листа |
Рис. 3. Пыльцевые зёрна ярового рапса (Цеолит 5 т/га) |
Внесение удобрений положительно сказалось на увеличении размеров пыльцевых зёрен и благоприятно отразилось на урожайности рапса. Следовательно, такая подкормка растений в виде цеолитсодержащей породы способствует увеличению жизнеспособности пыльцы и, как следствие, увеличивает количество семян в стручке. Варианты опыта практически не оказали влияния на качественный состав метаболитов (табл. 1), однако выявлены количественные различия накопления отдельных соединений в зависимости от варианта опыта.
Таблица 1
Сравнительное содержание основных веществ в листьях рапса в зависимости от вариантов опыта
|
Варианты опыта |
Вещество, % |
∑ |
|||
|
Arabitol |
Sorbitol |
Palmitic acid |
Lactose |
||
|
Контроль |
20,1 |
18,2 |
1,7 |
32,9 |
72,9 |
|
N60P60K60 |
25,5 |
23,6 |
0,5 |
32,9 |
81,7 |
|
Цеолит 5 т/га |
15,7 |
16,3 |
0,8 |
37,6 |
70,4 |
|
N60P60K60 + Цеолит 5 т/га |
42,4 |
37,5 |
0,5 |
11,06 |
92,2 |
Основными первичными метаболитами в листьях рапса является углевод лактоза и сахарные спирты рибитол и арабитол. Преимущественную долю составляет лактоза, в зависимости от вариантов опыта площадь пика которой варьирует от 11,06 до 37,6 %. Арабитол и сорбитол синтезируются примерно в равных количествах и также значительно варьируют в зависимости от вариантов опыта от 15,7 до 42,4 и от 16,3 до 37,5 %, соответственно (рис. 4). Площадь пика вторичных метаболитов не превышает 2-5 %.
Таким образом, установлен характерный профиль веществ-метаболитов, экстрагируемых из листьев рапса чистым метанолом. Основными метаболитами является 31 соединение – углеводы и их производные, органические кислоты, обладающие антиоксидантным действием, и жирные кислоты. Отмечено влияние вариантов опыта на синтез метаболитов углеводного обмена в листьях рапса. Наибольшее количество углеводов (по сумме) синтезируется в вариантах с применением минерального удобрения (N60P60K60) в комплексе с цеолитом (5 т/га).
|
|
|
|
Контроль
|
N60P60K60
|
|
|
|
|
Цеолит 5 т/га |
N60P60K60 + Цеолит 5 т/га |
Рис. 4. Сравнительные хроматографические профили экстрактов листьев рапса
Минимум концентрации метаболитов – 70,4 % – отмечался на варианте с цеолитом в чистом виде и на контрольном варианте – 72,9 %. Высоким метаболомным профилем – 81,7 % – характеризовались растения рапса на варианте с применением минерального удобрения. Содержание пальмитиной кислоты в растениях находилось в пределах 0,5-1,7 % в зависимости от вариантов опыта, её максимум отмечался в растениях рапса на контроле (1,7 %).
Максимальная урожайность – 29,1 ц/га – отмечена на варианте N60P60K60 + Цеолит 5 т/га, что превышало контроль на 69 %. Урожайность на варианте N60P60K60 составила 27,1 ц/га, что превышало урожайность на варианте с внесением цеолита в чистом виде на 7,0 ц/га (рис. 5).
Рис. 5. Урожайность и качественный анализ маслосемян рапса (Ц – цеолит)
Содержание масла в семенах рапса в вариантах с N60P60K60 снижалось по отношению к контролю. Максимальное количество жира отмечалось в семенах, где применяли цеолит в чистом виде, – 41,5 %. Следует отметить, что использование минеральных удобрений совместно с цеолитом способствовало увеличению содержания белка в семенах (28,1%). Увеличение доли белка в семенах рапса связано с увеличением азота в удобрениях.
Заключение. Возделывание ярового рапса в условиях лесостепи Центрально-Чернозёмного региона с применением в качестве удобрений природного минерала является весьма эффективным. Установлено, что внесение цеолита способствовало увеличению таких показателей, как размеры устьиц и полярной оси пыльцы, метаболитов растений. Подкормка растений в виде цеолитсодержащей породы способствовала увеличению жизнеспособности пыльцы, активизации метаболомных и фотосинтетических процессов и, как следствие, отразилось на урожайности. Максимальная урожайность – 29,1 ц/га – отмечена на варианте N60P60K60 + Цеолит 5 т/га, что превышало контроль на 69 %. Урожайность на варианте N60P60K60 составила 27,1 ц/га, что превышало на 7,0 ц/га урожайность на варианте с внесением цеолита в чистом виде. Использование минеральных удобрений совместно с цеолитом способствовало увеличению содержания белка в семенах (28,1%).
На основании полученных результатов в 2019-2021 гг. с целью получения высоких урожаев в почвенно-климатических условиях Липецкой области можно рекомендовать в технологии возделывания ярового рапса цеолит Тербунского месторождения в дозе 5 т/га совместно с минеральным удобрением N60P60K60.
1. Дубровина О. А., Зубкова Т. В., Виноградов Д. В. Накопление микроэлементов растениями ярового рап-са при использовании куриного помета и цеолита // Вестник Рязанского государственного агротехнологи-ческого университета имени П. А. Костычева. 2020. №4. С.17-24.
2. Зубкова Т. В., Виноградов Д. В. Свойства органоминерального удобрения на основе куриного помета и применение его в технологии ярового рапса на семена // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2021. № 1 (53). С. 46-54.
3. Зубкова Т. В., Виноградов Д. В., Дубровина О. А., Захаров В. Л. Влияние органоминеральных удобрений на накопление Cu и Zn в растениях ярового рапса // Вестник КрасГАУ. 2021. № 9 (174). С. 10-15.
4. Зубкова Т. В., Виноградов Д. В., Мотылѐва С. М., Дубровина О. А. Морфологические и химические свой-ства новых удобрений и применение их при возделывании рапса // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В. Р. Филиппова. 2021. № 2 (63). С. 13-21.
5. Зубкова Т. В., Виноградов Д. В. Влияние применения цеолита на урожайность рапса и качество масла, полученного из его семян // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (199). С. 23-29.
6. Зубкова Т. В., Виноградов Д. В., Гогмачадзе Г. Д. Эффективность некорневой обработки микроудобрениями при выращивании ярового рапса [Электронный ресурс] // АгроЭкоИнфо: Электронный научно-производственный журнал. -2021. -№1. - Режим доступа: http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2021/1/st_121.pdf. Индекс DOI: https://doi.org/10.51419/20211121.
7. Зубкова Т.В., Дубровина О.А., Виноградов Д.В., Мотылёва С.М., Захаров В.Л. Перспективы использова-ния органоминеральных удобрений на посевах рапса // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. 2020. № 4 (63). С. 35-40.
8. Лупова Е. И., Наумцева К. В., Виноградов Д. В. Влияние различных уровней минерального питания на урожайность масличных культур // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2020. № 4. С. 23-29. doi:https://doi.org/10.12737/39904.
9. Лутова Л. А., Шумилина Г. М. Метаболиты растений и их роль в устойчивости к фитопатогенам // Экологическая генетика. 2003. Т. 1, №0. С. 47-55.
10. Троц Н. М., Горшкова О. В. Рекультивация нефтезагрязненных кормовых угодий Степного Заволжья // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2021. №3. С. 15-21. doi:https://doi.org/10.12737/44988.
11. Цаценко Л. В., Синельникова А. С. Пыльцевой анализ в селекции растений // Научный журнал КубГАУ. 2012. №77. С. 1-11.
12. Цыбульский А. В., Киселева Л. В., Васин В. Г. Продуктивность и аминокислотный состав кормовых сме-сей подсолнечника и суданки силосного назначения на разных уровнях минерального питания // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. Вып. 1. С. 3-6.
13. Ramesh K., Reddy D. D. Zeolites and their potential application in agriculture // Achievements in agronomy. 2011. Vol. 113. P. 219-241.
14. Vinogradov D. V., Zubkova T. V. Accumulation of heavy metals by soil and agricultural plants in the zone of technogenic impact // Indian Journal of Agricultural Research. September 2021. DOI:https://doi.org/10.18805/IJARe.A-651
15. Vinogradov D. V., Zubkova T. V. Ways to increase the productivity of crop rotation in the forest-steppe condi-tions of the European part of Russia // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2022. 979. 012060.
16. Zubkova T. V., Vinogradov D. V., Zakharov V. L. Microelement composition of spring rape plants depending on the specified experimental conditions // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2022. 979. 012094.
