Восстановление техногенно-нарушенных территорий представляет одну из важнейших экологических и лесохозяйственных задач, особенно в регионах с высокой степенью антропогенного воздействия, таких как Уральский регион. В данной работе изучается возможность применения аморфного кремнезема в качестве удобрения для повышения эффективности восстановления лесных экосистем на рекультивированных землях. Аморфные формы кремнезема отличаются многофункциональностью и могут оказывать как прямое воздей-ствие на устойчивость растений к различным видам стрессов, так и опосредованное через улучшение свойств почвы и повышение ее плодородия. Цель исследования – оценить влияние аморфного кремнезема на рост сеянцев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) на рекультивированном гранитном карьере. Для вы-полнения работы были выбраны участки на учебно-опытном полигоне рекультивации нарушенных земель УГЛТУ, расположенном на Исетском гранитном карьере в Свердловской области. Проведенный почвенный анализ показал средний уровень кислотности почв (pH 4,92±0,12), низкий уро-вень содержания водорастворимого калия и нитратного азота в почвах рекультивируемого участка при срав-нительно повышенном содержании подвижного фосфора. Это указывает на необходимость применения удоб-рений и почвенных мелиорантов при создании лесных культур. В рамках исследования были проведены рабо-ты по внесению аморфного кремнезема, а также анализ его влияния на рост древесных сеянцев. Результаты исследования позволят расширить понимание эффективности кремниевых удобрений в условиях лесохозяйственной рекультивации, а также предлагают новые подходы к восстановлению экосистем на техногенно-нарушенных территориях.
аморфный кремнезем, рекультивация земель, гранитный карьер, сосна обыкновенная, Pinus sylvestris L., ель сибирская (Picea obovata Ledeb.)
Введение
Аморфный кремнезем является одним из перспективных материалов в агрохимии и лесном хозяйстве благодаря своей многофункциональности, влиянию на рост растений и улучшению качества почв. За последние десятилетия исследователи все больше концентрируются на возможностях использования кремниевых препаратов для повышения устойчивости растений к различным стрессовым факторам и улучшения их продуктивности. Тем не менее, влияние аморфного кремнезема на древесные виды, такие как сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) и ель сибирская (Picea obovata Ledeb.), изучено недостаточно, что делает данное направление особенно актуальным.
Кремний является элементом, присутствующим в большинстве типов почв, хотя и не считается жизненно важным для растений. Однако накопленные исследования показывают, что его введение в почву или использование в качестве удобрения может значительно повысить устойчивость растений к биотическим и абиотическим стрессам, таким как засуха, солевой стресс, повреждения вредителями и заболевания [1-4].
Кремний (Si) является вторым по распространенности элементом в земной коре, и его содержание в растениях колеблется от 0,1% до 10% в зависимости от вида. Хотя до сих пор не доказано, что Si является незаменимым элементом для растений, он широко признан как полезный фактор роста и развития растений. Si может смягчать биотические стрессы, такие как патогены растений и насекомые-вредители, а также абиотические стрессы, такие как засуха, жара, холод, полегание, засоление, ультрафиолетовое излучение, токсичность металлов и дисбаланс питательных веществ. Si может повысить устойчивость растений к абиотическим и биотическим стрессам с помощью физических и физиолого-биохимических механизмов. Недавно несколько авторов провели систематический обзор прогресса исследований по выяснению механизмов опосредованного Si ослабления биотических и абиотических стрессов у растений [4-6; 7-9]. Однако в этих обзорах положительному влиянию Si на дисбаланс питательных веществ уделялось относительно мало внимания.
Аморфный кремнезем, как одна из биоактивных форм кремния, обладает высокой растворимостью, что делает его доступным для растений и способствует интенсивному включению элемента в их обменные процессы [2].
Исследования, направленные на изучение влияния кремния на рост деревьев, в частности хвойных, гораздо менее многочисленны, чем работы, посвященные сельскохозяйственным растениям. Однако уже есть данные, свидетельствующие о его положительном воздействии на рост и устойчивость деревьев. Например, работы ряда авторов показали, что внесение кремниевых удобрений способствует увеличению биомассы хвои и повышению ее устойчивости к воздействию низкотемпературных стрессов. Исследования выявили, что обработка посадочного материала сосны кремниевыми соединениями снижает потери от заболеваний корней и повышает всхожесть сеянцев [10, 11].
Аморфный кремнезем оказывает как прямое, так и опосредованное воздействие на растения. Прямое влияние связано с повышением активности фотосинтетических процессов, увеличением содержания пигментов и улучшением водного обмена. Кроме того, кремний способствует укреплению клеточных стенок, что улучшает механическую устойчивость растений и их защиту от болезней и повреждений [12, 13].
1. Wang M., Wang R., Mur L.A.J. et al. Functions of silicon in plant drought stress responses. Hortic Res. 2021; 8:254. https://doi.org/10.1038/s41438-021-00681-1.
2. Chen D., Wang, S. Yin L., Deng, X. How does silicon mediate plant water uptake and loss under water deficiency? Front. Plant Sci. 2018; 9: 281 https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00281.
3. Lux A., Lukačová Z., Vaculík M., Švubová R. et al. Silicification of Root Tissues. Plants. 2020; 9(1):111. https://doi.org/10.3390/plants9010111.
4. Katz O., Puppe D., Kaczorek D., Prakash N.B., Schaller J. Silicon in the Soil–Plant Continuum: Intricate Feedback Mechanisms within Ecosystems. Plants. 2021; 10(4):652. https://doi.org/10.3390/plants10040652
5. Song Z., Liu C., Müller K., Yang X., Wu Y., Wang, H. Silicon regulation of soil organic carbon stabilization and its potential to mitigate climate change. Earth-Sci. Rev. 2018, 185, 463–475. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2018.06.020.
6. Minden V., Schaller J., Olde Venterink H. Plants increase silicon content as a response to nitrogen or phosphorus limitation: a case study with Holcus lanatus. Plant Soil 462, 95–108 (2021). https://doi.org/10.1007/s11104-020-04667-1.
7. Полигон «Урал-Карбон» (Северка) / С. В. Залесов, В. В. Фомин, Е. П. Платонов, Г. А. Годовалов, К. А. Башегуров, П. Н. Сураев // Леса России и хозяйство в них. 2021; 3 (78): 4–14. DOI:https://doi.org/10.51318/FRET. 2021.89.34.001.
8. Фомин В. В., Залесов С. В., Агапитов Е. М., Рогачев В. Е., Марина Н. В., Лантинова А. В. Научные исследования и разработки уральского государственного лесотехнического университета в области климатических проектов // Леса России и хозяйство в них. 2023; 4 (87): 4-17. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/nauchnye-issledovaniya-i-razrabotki-uralskogo-gosudarstvennogo-lesotehnicheskogo-universiteta-v-oblasti-klimaticheskih-proektov.
9. Turpault M.-P., Calvaruso C., Kirchen G., Redon P.-O., Cochet C. Contribution of fine tree roots to the silicon cycle in a temperate forest ecosystem developed on three soil types. Biogeosciences 2018, 15, 2231–2249.
10. Sharma B., Kumawat K.C., Tiwari S., Kumar A., Dar R.A., Singh U., Cardinale M. Silicon and plant nutrition: Dynamics, mechanisms of transport, and role of silicon solubilizer microbiomes in sustainable agriculture. Pedosphere 2023; 33 (4): 534-555. https://doi.org/10.1016/j.pedsph.2022.11.004.
11. Coskun D., Britto D.T., Huynh W.Q., Kronzucker H.J. (2016) The Role of Silicon in Higher Plants under Salinity and Drought Stress. Front. Plant Sci. 7:1072. doi:https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01072.
12. Khan A., Khan A.L., Muneer S., Kim Y.-H., Al-Rawahi A., Al-Harrasi A. (2019) Silicon and Salinity: Crosstalk in Crop-Mediated Stress Tolerance Mechanisms. Front. Plant Sci. 10:1429. doi:https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01429.
13. Yan G.-C., Nikolic M., Ye M.-J., Xiao Z.-X., Liang Y.-C. (2018). Silicon acquisition and accumulation in plant and its significance for agriculture. J. Integr. Agric. 17, 2138–2150. doi:https://doi.org/10.1016/S2095-3119(18)62037-4.
14. Nzereogu P.U., Omah A.D., Ezema F.I., Iwuoha E.I., Nwanya A.C. Silica extraction from rice husk: Comprehensive review and applications. Hybrid Advances, 2023; 4: 100111, https://doi.org/10.1016/j.hybadv.2023.100111.
15. Mahawar L., Ramasamy K. P., Suhel M. et al. Silicon nanoparticles: Comprehensive review on biogenic synthesis and applications in agriculture. Environmental Research. 2023; 232: 116292. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.116292.
16. Oszako T., Kowalczyk K., Zalewska W., Kukina O., Nowakowska J. A., Rutkiewicz A., Bakier S., Borowik P. (2023). Feasibility of Using a Silicon Preparation to Promote Growth of Forest Seedlings: Application to Pine (Pinus sylvestris) and Oak (Quercus robur). Forests, 14(3), 577. https://doi.org/10.3390/f14030577.
17. Sharma B., Kumawat K.C., Tiwari S., Kumar A., Dar R.A., Singh U., Cardinale M. Silicon and plant nutrition: Dynamics, mechanisms of transport, and role of silicon solubilizer microbiomes in sustainable agriculture. Pedosphere 2023; 33 (4): 534-555. https://doi.org/10.1016/j.pedsph.2022.11.004.
18. Shivaraj S., Mandlik R., Bhat J.A., Raturi G. et al. Outstanding questions on the beneficial role of silicon in crop plants. Plant Cell Physiol. 2022; 63: 4–18. https://doi.org/10.1093/pcp/pcab145.
19. Осипенко А. Е., Залесов С. В., Данилов И. А., Лантинова А.В. Приживаемость лесных культур на учебно-опытном полигоне рекультивации нарушенных земель // Эффективный ответ на современные вызовы с учетом взаимодействия человека и природы, человека и технологий: Материалы XV Международной научно-технической конференции, Екатеринбург, 08 февраля 2024 года. – Екатеринбург: Уральский государственный лесотехнический университет, 2024. – С. 228-232. – EDN VVZSKD. U
20. Павленко Д. И., Малая М. С., Башегуров К. А., Осипенко Р. А., Белов Л. А. Эффективность лесохозяйственного направления рекультивации песчаных карьеров / Леса России и хозяйство в них. 2022; 2 (81): 19–26.
21. Залесов С. В., Зарипов Ю. В., Осипенко Р. А. Опыт лесохозяйственного направления рекультивации нарушенных земель при разработке месторождений глины, хризотил-асбеста и редкоземельных руд. Екатеринбург : Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2022. 282 с.
22. Бачурина А. В., Залесов С. В., Толкач О. В. Эффективность лесной рекультивации нарушенных земель в зоне влияния медеплавильного производства // Экология и промышленность России. 2020; 24 (6): 67–71. DOI: 10.18412-1816-0395-2020-6-67-71.
