Влияние водорастворимого кремния на развитие ячменя

• Введение
• 1. Обзор литературы
• 1.1 Общая характеристика
• 1.2 Кремний в растениях
• 1.3 Кремний в почве
• 1.4 Влияние кремния на фосфатный режим почв
• 1.5 Методы определения
• 1.6 Влияние кремниевых удобрений на урожай и качество с/х растений
• 2. Объекты и методы исследования
• 3. Результаты и обсуждение
• Выводы
• Список литературы

Анализ научной литературы свидетельствует о существующей дискуссионной научной значимости кремния и, в частности, его роли в агрохимической практике. В последние 10−15 лет изучением роли кремния занимались ученые нашего факультета: Аммосова Я. М., Матыченков В. В., Балабко П. Н., Аветян Н. А и др. Исследования направлены на изучение поведения кремния в почве и растении. Актуальными остаются исследования по прямому и опосредованному (через фосфор) влиянию кремния, так как эти вопросы трактуются не однозначно, но при этом представляют большой интерес для науки. Отставание в изучении кремния по сравнению с другими биофильными элементами, по-видимому, обусловлено двумя основными причинами: общепринятым мнением о кремнии как о малоподвижном и труднорастворимом элементе, а также методическими трудностями.

Целью научной работы является изучение поведения и роли водорастворимой формы кремния на систему почва-растение в целом и на каждое составляющие отдельно. В основном, конечно, было рассмотрено влияние на растения. Для решения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Проследить влияние кремнийсодержащих удобрений и их различных концентраций на изменения биомассы ячменя.

2. Изучить действие водорастворимой формы кремния (в концентрациях 1 и 3 мг/кг) на содержание азота, фосфора и калия в растениях.

3. Рассмотреть зависимость действия кремниевых удобрений от использования разных доз (N (PK) 0,5 и 2NPK) минеральных удобрений.

4. Выполнить поиск и анализ методов определения кремния.

Уделялось внимание изучению доступности для растений водорастворимой формы кремния и влиянию кремнийсодержащих удобрений на растения в зависимости от концентрации.

Было проведено изучение влияния кремнийсодержащих удобрений. Как индикаторная сельскохозяйственная культура был выбран ячмень сорта «Нур» .

кремний водорастворимый ячмень удобрение

1. Обзор литературы

1.1 Общая характеристика

В периодической системе элементов Менделеева кремний находится в одном ряду непосредственно перед фосфором, имея 14-й порядковый номер. Оба элемента относятся к главным подгруппам своих групп. Кремний обладает переменной валентностью: может отдавать электроны, проявляя свойства металлов, и присоединять их как металлоид. Для него наиболее типичны соединения, в которых он положительно четырехвалентен. Соединения, в которых он двухвалентен, немногочисленны. Кремний — один из самых распространенных элементов в природе.

Начало систематическим полевым исследованиям роли Si в формировании биомассы растений было положено в середине XIX в., когда в долголетних опытах опытной станции было обнаружено, что с помощью силикатов можно повышать урожайность сельскохозяйственных культур. Установление необходимости кремния для растений было сопряжено с трудностями исключения влияния его примесей, присутствующих в питательных средах и выщелачивающихся из стеклянных сосудов даже при покрытии их парафином из-за наличия в нем микротрещин. По вопросу о роли кремния для растений было немало разногласий, и кремний не был включен в перечень, безусловно, необходимых элементов для растений. Лишь в 1922 г. он был отнесен к элементам-биофилам.

По содержанию в земной коре Si занимает II место после кислорода — соответственно 47 и 28%. Он присутствует там в виде устойчивых соединений с О2. В основном это кварц или кремнезем, его гидротированные формы, а также соли кремниевых кислот: силикаты, алюмосиликаты и т. д. Кремнекислородные тетраэдры SiО4 составляют структуру многих природных образований — песков, глин, почв.

В почве среднее содержание кремния составляет 330 г/кг по профилю почвы содержание кремнезёма максимально в гумусовых горизонтах.

Из всех запасов кремния, основная часть входит в состав наименее миграционно способных и наиболее устойчивых к разрушению минералов — кварца, каолинита и др.

Содержание наиболее растворимых и подвижных форм Si (аморфные оксиды и рентгеноаморфные алюмосиликаты) составляют 1−3% от общего содержания элемента. Миграция и аккумуляция Si в составе песчано-пылевых и илистых фракций происходит в форме растворимой кремнекислоты.

Наиболее интенсивный вынос кремния из почвы наблюдается на рисовых, пшеничных, ячменных, кукурузных полях (до 250 кг Si/гa).

Следует отметить, что растения поглощают только подвижные низкомолекулярные кремниевые кислоты [7], концентрации которых в почве обычно не превышает 15−20 мг SiO2/1OO г почвы.

Недостаточное кремниевое питание оказывает также и прямое негативное воздействие на развитие культурных растений, прежде всего злаковых. Доказано, что при внесении кремниевых удобрений утолщается кремне — целлюлозный слой эпидермальных тканей [9], что увеличивает устойчивость растений к болезням и насекомым-вредителям.

Можно предположить, что кремний может влиять на растение тремя путями:

1. непосредственно на растение,

2. косвенно (через почву),

3. обоими этими путями.

Наиболее распространено, что раствор кремнекислоты может вытеснять фосфор из труднорастворимых, не доступных растениям, фосфатов. За счет этого повышается подвижность фосфат-ионов в почвенном растворе и их доступность растениям. Гидрогель оксида кремния может адсорбировать ионы фосфора, находящегося в почвенном растворе, тем самым, препятствуя химическому связыванию фосфат-ионов почвой. Так же, ввиду того, что кремнекислота может стимулировать микробиологическую деятельность в почве, она влияет на содержание нитратного азота. Si снижает токсичность соединений Al, Mn, Fe, Cu, As, ⁹⁰Sr за счет образования труднорастворимых соединений. Особенно важно наличие кремния в кислых почвах, богатых полуторными окислами алюминия и железа. Растворимый кремнезем адсорбируется на последних, снижая их активность и выполняя роль барьера ну пути поступления алюминия и железа в растения.

По тем материалам, что мы имели на момент написания работы, мы можем привести данные сравнения «аэросила» и кристаллической формой оксида кремния.

Как видно из таблицы в экспериментах с кварцем (pH 2 и 7) оксалаты и цитраты существенно повышают растворимость кремния, а в случае с «аэросилом» (при рН 7) понижают по сравнению с минеральными реагентами. При растворении оксидов кремния в щелочной среде оксалатами и цитратами наблюдается снижение растворимости кварца по сравнению с чистым раствором NaOH. Разницу в растворении оксидов кремния в разных средах можно объяснить механизмом растворения. При растворении оксида кремния происходит реакция расщепления связи? Si-О-Si?, относящаяся к реакциям типа нуклеофильного замещения. Продуктом этой реакции является монокремниевая кислота. Количество растворенной монокремниевой кислоты зависит как от значения рН среды, так и от органических веществ, которые могут образовывать комплексные соединения с кремниевой кислотой или способствовать образованию полимерных кремниевых кислот.

В экспериментах с почвенными экстрактами гумусовых веществ получены интересные данные. Сами 0,1 н. NaOH-вытяжки из почв содержали некоторое количество кремния и до взаимодействия с минералами, причем наиболее насыщено кремнием органическое вещество, растворимое в кислотах (рН=2), которое в основном представлено фульвокислотами. Прослеживается общая закономерность воздействия гумусовых веществ на оксиды кремния. Все они в большей или меньшей мере не способствуют значимому растворению как кварца, так и «аэросила». Однако можно предположить, что в кислой среде процесс растворения — осаждения кремния достиг равновесия. Наименьшее растворение оксидов кремния отмечено в вытяжке из дерново-подзолистой почвы. Особенно слабо она растворяет «аэросил» по сравнению с контролем. Вытяжки из дерновой окультуренной почвы и из чернозема обыкновенного в боль шей степени способствуют растворению оксидов, но все же их влияние слабее влияния оксалатов и цитратов. В щелочной среде вытяжки из дерновой окультуренной почвы и из чернозема обыкновенного вообще препятствуют растворению как кварца, так и «аэросила». [8]

1.2 Кремний в растениях

Механизм участия кремния в метаболизме растений до конца пока еще не раскрыт. Однако предполагается его связь с изменением активности ферментов. Так, возможно, что кремний ингибирует в растениях риса инвертазу и кислую фосфатазу. [32]

Кремний на 2−2.5 недели ускоряет созревание кукурузы и прорастание семян ячменя и риса, увеличивает корневую массу ячменя [40], усиливает фотосинтез и рост растений риса, ускоряет его созревание, воздействует на азотный, фосфатный и калийный обмен. Он способствует повышению засухоустойчивости растений [41, 42], устойчивости растений к поражению грибковыми заболеваниями, насекомыми-вредителями, полеганию, низким температурам.

На основании гистохимических исследованиях риса сделан вывод, что в корнях кремний распределен равномерно во всем слое ткани, хотя некоторые ученые считают, что он концентрируется в эпидермальных тканях и коронарных клетках. В транспирационных органах, таких как лист, кремний локализуется в эпидермальных тканях, образуя двойной кутикулярно-кремниевый слой, предотвращающий растения от чрезмерного испарения и от проникновения гифов гриба. Также отмечается, что ткани растений с наибольшей способностью к испарению воды оказываются наиболее окремненными (края листьев пшеницы, сорго, ржи), однако также говорится, что различия в содержании кремнезема нельзя объяснить только разными количествами испаряемой воды.

Особо следует отметить агроэкологический аспект применения соединений кремния в защите растений — это снижение пестицидной нагрузки в агроценозах [32], ограничение поступления ксенобиотиков в объекты окружающей среды, повышение устойчивости растений к мутациям [33], что объясняется более прочной связью Si-O-C, чем P-O-C в ДНК и РНК.

Важнейшим звеном биогеохимического круговорота кремния является поступление и накопление его в растениях, взаимосвязь этого процесса с питанием другими биофильными элементами. Содержание кремния в растениях сопоставимо с содержанием основных макроэлементов. В сухой массе растений содержится 1−2% Si. в их золе — от 20 до 91%, причем, чем на более высокой ступени эволюционного развития находится растение, тем меньше его содержание. Так, если в одноклеточных водорослях он среди остальных элементов занимает третье место, в папоротниках — седьмое, то в покрытосемянных — четырнадцатое.

Растения, интенсивно ассимилирующие Si из почвы, называют кремниефилами. Содержание Si в их листьях в среднем составляет около 2%, тогда как у растений, не накапливающих его — 0.25%. Из культурных растений к кремниефилами относят, прежде всего, злаки (рис, пшеницу, ячмень, овес, просо, кукурузу). Двуокись кремния составляет более половины минеральных веществ, которые зерновые усваивают из почвы. Как правило, однодольные растения содержат кремния гораздо больше, чем двудольные. Злаки поглощают его в 10−20 раз больше, чем бобовые, рожь ассимилирует его интенсивнее подсолнечника, рис — интенсивнее томатов, пшеница — больше хлопчатника. Содержание Si в растениях достигает максимума к концу вегетации.

В исследованиях с кремнегельсодержащими удобрениями установлено повышение содержания Si в соломе ячменя на 5−15%, пшеницы на 5−20, викоовсяной смеси на 25−40%. Эти удобрения обладали длительным последействием и заметно повышали содержание в зерне пшеницы и зеленой массе горохоовсяной смеси проламина и глютелина. Вынос кремнекислоты урожаем ячменя составил 400−600, пшеницы — 100−170, викоовсяной смеси — 50−90 кг/га.

1.3 Кремний в почве

Кремний является основным компонентом педоценозов. Это один из самых распространенных элементов земной коры, роль которого в формировании почвенного плодородия и многообразии протекающих в почве процессов трудно переоценить. В ряде отечественных и зарубежных работ подчеркивается особая важность кремния в формировании различных агрохимических и агрофизических свойств почв, в контроле многих геохимических и почвенных процессов.

Валовое содержание кремнезема в литосфере составляет 58.3% (для сравнения: лунный грунт — 41, каменные метеориты — в среднем 21% [11]). Запасы его в почве в среднем оцениваются как высокие — 33%, а в некоторых почвах достигают 85%. Ввиду низкой зольности малокремниевым является торф, особенно низинный, в котором содержится всего 1% валового кремния. Содержание кремния в почвах зависит от их гранулометрического состава: в глинистых почвах его содержится от 20 до 35%, а в песчаных — 45−49%.

SiO₂ имеет три кристаллические модификации, реализуемые в кварце, тридимите и кристобалите. Описаны волокнистые модификации (халцедон, кварцин), на дне морей и океанов — аморфный кремнезем, образованный из водорослей и инфузорий.

Кристаллический кремнезем в воде практически не растворяется, химически стоек. На него действуют лишь фтор, фтористоводородная кислота, а также растворы щелочей и фосфорная кислота. Растворимость и скорость процесса растворения-осаждения аморфного кремнезема на порядок выше, чем кристаллического оксида кремния. Химическая активность модификаций SiO₂ возрастает от кварца к кристобалиту и особенно пористому кремнезему (силикагелю), полученному обезвоживанием геля кремниевой кислоты.

В почве кремний находится в виде малорастворимых соединений: SiO, — кремнезема, А1₂О₃*2SiO₂*2Н₂О — каолина, алюмосиликатов или полевых шпатов, СаО*А1₂О_3*2SiO₂ — анортита. В растворе — в виде силикат-иона, в сорбированном состоянии — в виде SiFeOH.

Основная часть соединений кремния играет роль минерального каркаса и инертна по отношению к процессам питания растений, которые могут усваивать только подвижные низкомолекулярные кремниевые кислоты. Содержание последних в почве крайне низко (не превышает 150 — 200 мг SiO₂/Kr почвы) и сопоставимо с наличием подвижных форм фосфора и обменного калия.

Растения могут испытывать недостаток кремния на кислых, сильно выщелоченных и ферраллитных почвах. Запасы усвояемых форм Si пополняются за счет растворения и разрушения почвенных минералов в процессе выветривания и при разложении растительных остатков, откуда кремнекислота освобождается в двух формах — в виде опала, заполняющего клетки эпидермиса надземной части растений, и в виде водорастворимой кремнекислоты. Защищает почвенные силикаты от растворения органическое вещество почвы.

Несмотря на то, что основная часть Si почвы входит в состав наименее способных к миграции и устойчивых к разрушению минералов, при подзолообразовании происходит заметное обеднение силикатами верхней части профиля почвы. Агрессивные фульвокислоты способствуют гидролизу минералов, в результате чего в элювиальном горизонте растворяются и выносятся из него вторичные минералы (иллит, монтмориллонит, мусковит, каолинит). Так, по данным из дерново-подзолистой почвы Московской области и светло-серой лесной почвы Тульской области вынесено 44−47% разбухающих минералов, 32−42% иллита, 16−30% каолинита. Впоследствии была установлена закономерность выноса и перераспределения кремнезема по профилю почв с резкой его дифференциацией (дерново-подзолистой, светло — и темно-серой лесной, осолоделого солонца). В частности, установлено, что содержание Si максимально в гумусовых горизонтах. С вовлечением почв в сельскохозяйственное использование происходит их обеднение усвояемыми формами Si.

С речными водами в мировой океан ежегодно выносится до 300 тыс. т кремнезема, особенно в субтропиках и тропиках.

Кремний почвенного раствора, содержащийся в нем в виде силикат-ионов мономеров и димеров ортокремниевой кислоты, кремнийорганических соединений, а также в коллоидной форме в виде гидрозоля кремниевой кислоты, контролирует и определяет направленность многих процессов почвенной экосистемы. Концентрация растворенного кремнезема колеблется от 1 до 200 мг/л. Анализ силикатов почв Японии и Малайзии показал, что основными являются силикаты алюминия, железа и кальция, что совпадает с составом почвенных фосфатов.

При применении кремниевых удобрений значительно усиливается роль бора в почве, существенно снижается токсичность соединений алюминия, марганца, железа за счет образования труднорастворимых соединений. Коллоидный кремнезем способствует лучшему использованию фосфора растениями, улучшает физические свойства песчаных почв. Установлено, что с увеличением доз кремнегельсодержащнх удобрений возрастают электропроводность почвенных вытяжек, концентрация ионов водорода, буферная емкость почв и снижается величина электрокинетического потенциала почвенных коллоидов. Кремний улучшает азотное питание растений [14], повышая содержание в почве нитратного азота за счет усиления микробиологической активности почвы. Установлено, что под действием кремнегеля усиливается процесс нитрификации, увеличивается количество аммонификаторов [15], снижается численность грибов родов Penicilinum, Fusarium, Trichoderma, однако сведений по этому вопросу крайне мало. Значительное количество работ посвящено вопросу взаимодействия в почвенной экосистеме кремниевых соединений с фосфатами.

Таким образом, высокая активность соединений кремния почвенного раствора, особенно монокремниевой кислоты, оказывает влияние на общее физико-химическое состояние и свойства почв, способствующие улучшению питания растений

В настоящее время различают три основные группы подвижных кремниевых соединений: монокремниевые кислоты, поликремниевые кислоты и кремнийорганические соединения. Монокремниевые кислоты, имеющие только один атом кремния, наиболее изучены с химической точки зрения. Самыми распространенными формами монокремниевой кислоты в природе является ортокремниевая кислота H₄SiO₄ и ее анион H₃SiO₃^-. Среди подвижных кремниевых соединений их отличает высокая физико-химическая активность и наибольшее влияние на биогеохимические процессы, происходящие в почвах.

Поликремниевые кислоты являются второй по распространенности и изученности формой подвижных кремниевых соединений. Их физико-химические свойства существенно отличаются от свойств монокремниевых кислот. Они фактически не взаимодействуют с другими веществами, но могут влиять на водно-физические и адсорбционные свойства веществ.

Кремнийорганические соединения являются наименее изученным классом подвижных кремниевых соединений. Окончательно не отработана методика определения, спорным является сам факт их наличия в природных средах.

Сложное поведение кремниевых удобрений в почве обусловлено образованием и присутствием нескольких форм кремниевых соединений одновременно. Это затрудняет изучение механизмов влияния кремниевых удобрений на систему «почва-растение». Содержание доступного для растений кремния является базовой информацией, без которой невозможно точно определить ни обеспеченность почвы этим элементом, ни эффективность кремниевых удобрений.

Критерием определения доступного растению кремния в почве можно считать коэффициент корреляции между содержанием Si в растворе и в растении. Вытяжки, лучшие по этому показателю, будут наиболее приемлемыми для изучения биогеохимической роли кремния в агроценозе и для определения необходимости внесения кремниевых удобрений.

1.4 Влияние кремния на фосфатный режим почв

Имеющихся в литературе данных о характере и размерах воздействия кремния на фосфатный режим почвы явно недостаточно в силу огромного разнообразия влияющих на него условий. До сих пор окончательно не выяснены механизмы их взаимовлияния, хотя существует ряд гипотез. Наиболее распространено мнение о том, что растворенная кремнекислота вытесняет фосфор из труднорастворимых фосфатов и из поглощенного состояния. По-видимому, это происходит в почвах со щелочной и близкой к нейтральной реакцией среды.

Есть мнение, что анион кремниевой кислоты способен блокировать свободные карбонаты почвенного раствора, что снижает ретроградацию растворимых фосфатов. Например, установлено, что при взаимодействии Са₃ (РО₄) ₂ с гелем SiO₂ содержание СаО в водной вытяжке снижалось. Эксперименты Матыченкова и Аммосовой показали увеличение выхода фосфора в раствор при взаимодействии двух — и трехзамещенных фосфатов кальция с силикат-ионами и образование при этом силиката кальция.

Коллоидные частицы кремниевой кислоты обладают сильно выраженными свойствами адсорбции, благодаря чему возможно взаимодействие их с гидроксидами алюминия и железа, сопровождающееся снижением активности последних и, как следствие, повышением растворимости новообразованных фосфатов. Такое взаимодействие доказано на примере получения аллофана (Аl₂О₃*SiO₂*nН₂О) в искусственных условиях путем добавления золя кремнезема к золю гидроксида алюминия и наоборот. Аллофан придает почве гидрофильность, влияет на емкость поглощения катионов, липкость, набухание, связность. Таким образом, кремний и фосфор могут быть конкурентами за оксиды алюминия и железа в почве.

Не исключено, что гель кремниевой кислоты может адсорбировать фосфат-ионы с образованием силикофосфатных комплексов типа Si₃ (PO₄) ₄ и SiP₂O₇, в которых связь между фосфором и кремнием осуществляется через кислород: Si-O-P. В этих комплексах кремний находится в центре октаэдра в координации с шестью атомами кислорода со значительно более выраженным ионным характером связи, чем при тетраэдрической координации атомов кремния. Устойчивость этих соединений зависит от степени полимеризации молекул кремнекислоты: чем она выше, тем меньше устойчивость. Образование их возможно при высокой концентрации фосфорной кислоты. По-видимому, указанные комплексы удерживают фосфат-ионы от химического закрепления в почве, кроме того, есть сведения, что они лучше поглощаются растениями, чем сами фосфаты.

Предполагается, что, действуя как адсорбент, кремний играет роль в поддержании физиологического равновесия питательных веществ в почвенном растворе.

Косвенным доказательством взаимосвязи фосфора и кремния в питании растений служит изменение размеров поглощения первого под действием второго. Так, под действием силикатов натрия и кальция повышалось усвоение растениями водорастворимых форм фосфатов почвы, снижалась сорбция ³²Р почвой, повышались урожаи опытных культур и вынос ими фосфора. При этом отмечено, что абсолютное действие силикатов на доступность фосфатов было выше на почвах, богатых фосфором, а относительное — на бедных.

Степень выраженности перечисленных в гипотезах процессов, по-видимому, определяется многими условиями, среди которых особое значение имеют реакция почвенного раствора, отношение SiO₂: R₂O₃. С ними связаны свойства почвенных коллоидов, формы кремниевых соединений. В пределах рН 3−6.5 адсорбция кремнекислоты твердой фазой почвы осуществляется очень медленно и резко возрастает в интервале рН 6.5−9.9 Механизм сорбции заключается в координации атомом двух дополнительных групп ОН^-, расположенных на адсорбируемой поверхности почв.

Есть немало сведений о положительном действии кремнекислоты на фосфатный режим почв со слабокислой и кислой реакцией среды. Под действием кремнезема повышается растворимость трехзамещенных фосфатов кальция в кислой среде и снижается — в щелочной. Известны факты повышения растворимости фосфатов под действием силиката калия, особенно заметного при высокой кислотности почвы. Возможно, это объясняется, во-первых, состоянием кремнезема при разных значениях рН и связанной с этим его активностью: в нейтральных и слабокислых растворах монокремниевая кислота не имеет ионной формы, а в щелочных растворах — ионизируется, во-вторых — предполагаемой способностью его блокировать свободные карбонаты почвенного раствора, за счет чего может повышаться растворимость фосфатов.

Установлено, что степень выраженности процессов сорбции-десорбции фосфатов зависит от соотношения коллоидов SiO₂: R₂O₃ — чем больше в ППК кремниевых соединений, тем менее прочно фосфор закрепляется почвой.

Однако влияние силикатов на растворимость фосфатов неоднозначно и в значительной степени зависит от обеспеченности почвы подвижным фосфором, ее кислотности, содержания гумуса и других свойств. Возможно также от уровня содержания в почве подвижного алюминия и магния. Известно, например, что алюминий даже в небольших количествах снижает растворимость кремнезема, так же действуют ионы магния, образуя силикат магния. Небольшое количество ортофосфорной кислоты (до 0.06%) значительно снижает скорость растворения силикагеля в воде за счет образования фосфата кремния, а добавление к разбавленному раствору Н₃РО₄ серной кислоты предотвращает его образование и ускоряет растворение.

Особенно важно наличие Si в кислых почвах, богатых алюминием. Растворимый Si прежде всего адсорбируется на гидроксидах Аl и Fe, снижая их активность и выполняя при этом роль барьера на пути поступления их в растение.

С другой стороны, оксиды Аl и Fe снижают ассимиляцию Si растениями. Чем шире в почве соотношение SiO₂: R₂O₃, тем интенсивнее поглощается Si растениями. Возможно, именно содержанием оксидов Аl и Fe обусловлено влияние рН почвы на количество поглощаемого растениями Si, максимум которого наблюдается обычно при нейтральной и слабокислой реакции почвенного раствора.

Внесение в почву кремниевых удобрений обеспечивает поглощение растениями фосфора из обычно трудно усвояемых фосфатов. Предполагается, что это обусловлено деятельностью силикатных бактерий.

На фосфатный режим почвы положительное влияние оказывают растворимые в воде и аморфные соединения Si. В частности, они повышают подвижность фосфат-ионов в почвенном растворе и доступность их растениям. В свою очередь, добавление фосфора увеличивает содержание кремния в почвенных вытяжках.

В ряде исследований наблюдалось положительное влияние кремния на растворимость и усвояемость почвенных фосфатов на среднеобеспеченных фосфором почвах. В других — на крайне бедных, или вообще не обнаруживалась способность его улучшать поглощение фосфора растениями и снижать фиксацию его почвой. В связи с этим данный вопрос требует дальнейшего изучения.

Анализ литературных данных по фосфорно-кремниевому взаимодействию в почве, которому посвящается большинство исследований, показывает, что обозначилось три основных направления в поисках путей улучшения питания растений фосфором за счет использования кремнийсодержащих соединений.

Во-первых, это введение в состав фосфорного удобрения кремния или участие кремнезема в переводе труднорастворимых фосфатов в усвояемую для растений форму в процессе получения удобрений. Это нашло отражение в производстве обесфторенных фосфатов, разработке комплексных бесхлорных удобрений на основе переработки богатых кремнием сыннырнтов, попыток создания фосфорно-кремниевых удобрений с контролируемым содержанием растворимого в воде фосфора.

Во-вторых — улучшение питания растений фосфором при совместном внесении фосфорных удобрений и кремнийсодержащих материалов. Исследованиями установлено, что фосфорные удобрения действуют более эффективно при совместном их применении с соединениями кремния, впоследствии это положение было подтверждено другими авторами.

Третье направление — использование на удобрение нетрадиционных минеральных материалов, богатых кремнием — диатомитов, трепелов, шлаков, сапропеля и др., позволяющих заметно повысить урожаи сельскохозяйственных культур.

1.5 Методы определения

В США в качестве стандартного метода определения подвижных соединений кремния в почве используют 0,5 М СН₃СООН вытяжку из воздушно-сухой почвы при отношении почва: раствор 1: 10 и экстракции в течение 1 часа на ротаторе. Коэффициент корреляции между содержанием кремния в этой вытяжке и содержанием кремния в шелухе зерен риса составляет 0,87.

В Японии разработан другой метод определения подвижных кремниевых соединений. Экстракцию кремниевых соединений из сухой почвы предлагают проводить буферным раствором 1 н. уксусной кислоты с pH 4.0; что позволяет получать коэффициент корреляции между содержанием кремния в этой вытяжке и содержанием в соломе риса 0,67−0,79.

Матыченков, Бочарникова и Аммосова предложили методику определения доступного для растений кремния, основанную на использовании водной вытяжки из почвы с естественной влажностью от 5 до 50%.

Предлагаемый метод заключается в следующем: 10 г почвы естественной влажности (если она выше 5%) заливают 50 мл дистиллированной воды и тщательно перемешивают. Если природная влажность ниже 5%, то следует в течение месяца прокомпостировать почву с водой при влажности 10−20% и только после этого проступать к выполнению анализа. Через сутки раствор снова перемешивают в течение 5 минут и отфильтровывают и центрифугируют. Сразу после получения прозрачного экстракта определяют содержание монокремниевых кислот и их анионов в растворе фотометрическим методом с использованием молибденовокислого аммония. Влияние почвенных фосфатов, которые так же реагируют с молибденовокислым аммонием, устраняют агрессивным восстановительным раствором (9 н. H₃SO₄, 1 н. щавелевая кислота с метолом). Кремниймолибденовый комплекс устойчивее фосфатмолибденового и не разрушается под воздействием кислот.

Для определения влияния влажности почвенного образца на получаемые результаты были проведены модельные исследования. Верхний горизонт чернозема южного и подстилающий чернозем тяжелый суглинок были высушены и прокомпостированы месяц при разных уровнях влажности.

В данном опыте были использованы три разных влажности почвы (6,0; 11,8 и 51,0%) и грунта (8,9; 13,0 и 47,0%). В качестве сравнений были взяты односуточные водные вытяжки из воздушно-сухих почвенных образцов с влажностями 3,9 и 2,6%, соответственно для верхнего и нижнего горизонтов. Полученные данные по содержанию монокремниевых кислот представлены в таблице 5.

Таблица 5. Содержание монокремниевых кислот в водной вытяжке из почвы и подстилающей породы разной влажности.

Таблица 6. Некоторые химические свойства исследуемых кремниевых соединений

Было так же определено содержание растворимых монокремниевых соединений в почвенных растворах. Растворы были получены методом вытеснения спиртом из нативных образцов верхнего слоя чернозема (влажность 6.0%) и подстилающей породы (влажность 8.9%). Содержание находящихся в растворе монокремниевых соединений очень мало (табл.5). Очевидно, что основное количество подвижных кремниевых соединений находится в адсорбированной форме. Интересно отметить, что абсолютная концентрация монокремниевых кислот в изученных образцах составляет для верхнего горизонта 16.1 мг SiO₂/л и для подстилающей породы 13.1 мг SiO₂/л.

Разработанный метод был апробирован при изучении ряда почв Европейской части России: серых лесных [21], каштановых почв и черноземов. Было показано, что при внесении кремниевых удобрений увеличение содержания монокремниевых соединений в почве положительно коррелирует с увеличением доступного растениям фосфора и увеличением массы растений.

Следующим этапом работы было определение коэффициента корреляции между содержанием кремния в водной вытяжке из сырой почвы и содержанием кремния в растении. Эти исследования были проведены на Эверглейдской научной и учебной станции (Флоридский ун-т, США). В теплицах на торфяной почве, содержащей 30% общего кремнии и 65% органического вещества и имеющей рН 6.5 [22], выращивали рис. В качестве источников доступного кремния использовали: чистый силикат кальция (CaSiO₃), отход фосфорной промышленности — силикат кальция (ОФП) и отход сахарной промышленности — золу сахарного тростника (ЗCT). Предварительно были определены некоторые химические свойства этих соединений: содержание общего кремния в сухих препаратах, содержание кремния в водной и кислотной (0.1 н. НСl) суточных вытяжках, значение рН в надосадочном растворе водной вытяжки. Полученные данные представлены в табл.6.

Эксперимент проводили в пластмассовых сосудах в трехкратной повторности. Влажность почвы колебалась от 10 до 15%. Ее величина была учтена при расчете содержания монокремниевых кислот в абсолютно сухой почве. Содержание подвижных кремниевых соединений определяли в водной вытяжке из почвы с естественной влажностью, содержание кремния в растениях определяли после месяца выращивания методом Эллиота и Шнайдера.

Усредненные результаты приведены в табл.3. Как видно из полученных данных, ОФП и чистый силикат кальция обеспечивали большее поступление монокремниевых соединений в почву, чем аналогичная доза ЗСТ. Сравнение этих данных с химическими свойствами исследуемых кремниевых удобрений (табл.6) показало, что обе характеристики (водная и кислотная вытяжки) важны для получения предварительной информации о потенциальной эффективности кремниевых удобрений.

1.6 Влияние кремниевых удобрений на урожай и качество с/х растений

Большинство целинных почв, за исключением некоторых вулканических, аллювиальных и целинных черноземов, испытывают дефицит доступного для растений кремния. На песчаных, деградированных или старопахотных почвах растения испытывают острый дефицит этого элемента, что является причиной снижения их устойчивости к действию разных неблагоприятных факторов [25.].

Положительный эффект Si на рост и развитие растения в условиях почвенного засоления проявляется в увеличении активности фотосинтетического аппарата [26], изменении соотношения К: Na в ксилеме [27], повышении активности целого ряда ферментов [28], регулирующих метаболические процессы в растениях. Повышенное содержание монокремниевой кислоты в почвенном растворе препятствует поглощению натрия из почвы. Таким образом, при улучшении кремниевого питания действует не один, а несколько механизмов регуляции физиологических функции.

Внесение отходов производства суперфосфата, богатых кремнием (33%), и аэросила (белой сажи) позволило получить дополнительно 17−20% урожая ячменя на оподзоленном черноземе. Урожайность ячменя от кремнекислоты на дерново-подзолистой почве повысилась на 19−36%, от аэросила — на 16−19%, а овса — на 40%. Положительное влияние кремниевых удобрений было обнаружено при выращивании риса [31, 32, 33], ячменя, овса, ржи, пшеницы, подсолнечника [34, 35], клевера, райграса, люцерны, кукурузы, томатов, огурцов [36], викоовсяной смеси, сахарной свеклы. Не обнаружена прибавка урожая от кремния при выращивании гороха.

Улучшение питания растений фосфором в присутствии кремния связано с участием коллоидного кремнезема и силикатов в растворении почвенного и внесенного с удобрениями фосфора в силу сходства характера их взаимодействия с почвенными коллоидами. Этот факт имеет особое значение в условиях острого дефицита фосфорных удобрений.

Так же в работе говорится, что увеличение концентрации соли в растворе от 0.3 до 1.2% Na приводило к резкому снижению процента проросших семян ячменя (табл.2). Внесение в раствор наряду с NaCl аморфного SiO₂ или коммерческих препаратов, содержащих Si, приводило к уменьшению отрицательного действия соли и увеличивало число проросших семян по сравнению с контролем. Наибольший эффект наблюдали в присутствии препарата Zamsil при разбавлении его в 1000 раз. Концентрация монокремниевой кислоты в растворе в этом случае составила 150.6 — 151.4 мг Si/л. Концентрация монокремниевой кислоты в контроле составляла 0.02−0.0З, в растворе аморфного SiO — 83.5−86.0, в растворе Zap-Sil 98.7−101.5 и в растворе Zamsil при разбавлении в 5000 раз — 40.6−41.9 мг Si/л (табл.3),

Увеличение концентрации соли в контроле, наряду с уменьшением числа проросших семян вызывало уменьшение длины корней и колеоптелей. Внесение активного Si в растворы способствовало относительному снижению отрицательного действия соли. При этом наибольший эффект был отмечен при внесении Zap-Sil и варианте с 0.6% Na. Средняя длина колеоптелей в этом варианте достигали 2 см, тогда как в контроле колеоптили не образовывались.

Добавление NaCl в поливную воду в опыте 2 снижало накопление сырой биомассы растениями пшеницы от 20 до 60% при увеличении концентрации Na от 0.3 до 1.2% соответственно (табл.4). Внесение SiO₂ в почву положительно влияли на накопление сырой биомассы пшеницей, что в относительном снижении снижении отрицательного действия соли.

2. Объекты и методы исследования

Исследования проводили с ячменем (Hordeum Vulgare) сорта Нур. Летом 2007 года на базе вегетационного домика факультета почвоведения МГУ был поставлен опыт.

Схема опыта включала следующие варианты:

· 0 — без удобрений и обработки Si

· N₁₀₀P₅₀K₅₀

· N₁₀₀P₅₀K₅₀ + Si (1 мг/кг)

· N₁₀₀P₅₀K₅₀ + Si (3 мг/кг)

· N₂₀₀P₂₀₀K₂₀₀

· N₂₀₀P₂₀₀K₂₀₀ + Si (1 мг/кг)

· N₂₀₀P₂₀₀K₂₀₀ + Si (3 мг/кг)

Продолжительность опыта составила 49 дней, отбор растительных проб (надземная часть растений) проводили в 2 этапа — на 39 и на 49 день.

Для опыта использовались сосуды Вагнера, вмещающие 2 кг почвы. Почву для опытов использовали дерново-подзолистую среднесуглинистую. Агрохимическая характеристика почвы следующая: рН_{KCl -} 5,8, К₂О — 65 мг/кг, Р₂О₅ — 80 мг/кг, содержание гумуса 2,0%.

Согласно схеме опыта, единичная доза азота составляла 100, фосфора — 50, калия — 50мг/кг, которые вносили в виде растворов NH₄NO₃, Ca (H₂PO₄) ₂*H₂O, КСL. В вариантах с повышенным уровнем питания дозы азота, фосфора и калия составляли по 200мг/кг. Влажность почвы поддерживали из расчета 60% ППВ.

В каждом сосуде высевали по 10 растений ячменя, всходы проредили до 5−6 растений на сосуд.

Обработку проводили препаратом «Силиплант» .

В состав «Силипланта» входит неорганический кремний (14% SiO₂). Содержащийся Si — водорастворимый, хорошо поступает через корневую систему растения и листья.

Азот был определении стандартным методом по Кьельдалю по мокрому озолению.

Фосфор был определен в вытяжке по Кирсанову колориметрическим методом.

Калий был определен с помощью пламенного фотометра.

Для определения кремния было выбрано несколько методов. Определение кремния в почвах было решено проводить по желтой кремнемолибденовой соли. Этим же методом решено было определить кремний в растениях. Для растений было выбрано еще несколько методов определения кремнекислоты [44], растворимой и аморфной формы.

3. Результаты и обсуждение

1. Анализ величин биомассы растений

В результате исследований было установлено положительное действие кремния на биомассу ячменя.

Рисунок 1. Влияние уровня питания и обработки Si 1 мг/кг на биомассу растений ячменя

Во время фазы кущения положительное воздействие кремниевых удобрений в дозе 1 мг/кг более выражено. При чем на более высоком уровне обеспеченности элементами минерального питания эффективность кремниевых удобрений достоверна и биомасса увеличилась по сравнению с контролем более чем на 40%.

Рисунок 2. Влияние уровня питания и обработки Si 3 мг/кг на биомассу растений ячменя

На данном графике рассматривается влияние другой концентрации кремния (3 мг/кг). Зависимость биомассы от его внесения менее выражена, но тенденции, установленные при меньшей концентрации кремния, проявляются и в данном случае. Эффективность в варианте на фоне 2NPK максимальна (54,5%) и соответствует предыдущим данным по этому варианту, но с другой концентрацией кремния.

2. Анализ содержания азота в растениях.

Рисунок 3. Влияние Si 1мг/кг на содержание общего азота в растениях ячменя (1 отбор)

Рисунок 4. Влияние Si 1мг/кг на содержание общего азота в растениях ячменя (2 отбор)

Во время фазы кущения на низком минеральном фоне при внесении кремния содержание азота выросло на 18%, а на высоком фоне происходит снижение содержания азота на 13% (Рис.3). В фазе трех листьев происходит увеличение содержания азота (на 13,14%, соответственно дозам минеральных удобрений) при внесении кремния. При этом вынос азота с биомассой подчиняется одинаковой зависимости: при внесении кремния вынос больше. Зависимость выноса азота связана и с фазами вегетации, что объясняется, прежде всего, ростом биомассы.

Рисунок 5. Влияние Si 3 мг/кг на содержание общего азота в растениях ячменя (1 отбор)

Рисунок 6. Влияние Si 3 мг/кг на содержание общего азота в растениях ячменя (2 отбор)

По данным очевидно, что высокая доза кремния не способствует увеличению содержания азота, только в фазе трех листьев на высоком минеральном фоне заметно не большое его увеличение. Вынос азота на более высоком уровне обеспеченности элементами минерального питания увеличивается при внесении кремния, а на низком остается неизменным либо несколько уменьшается.

3. Анализ содержания фосфора в растениях.

Рисунок 7. Влияние Si 1 мг/кг на содержание общего фосфора в растениях ячменя (1 отбор)

Рисунок 8. Влияние Si 1 мг/кг на содержание общего фосфора в растениях ячменя (2 отбор)

Процентное содержание фосфора в растениях зависит от использования кремниевых удобрений (1 мг/кг). При внесении малых доз кремния содержание фосфора снижается на низком минеральном фоне независимо от фаз вегетации. На высоком фоне минерального питания снижение процентного содержания фосфора происходит в фазу кущения (Рис.8). На низком минеральном фоне очевидно снижение выноса фосфора, а на высоком фоне — увеличение.

Рисунок 9. Влияние Si 3 мг/кг на содержание общего фосфора в растениях ячменя (1 отбор)

Рисунок 10. Влияние Si 3 мг/кг на содержание общего фосфора в растениях ячменя (2 отбор)

Высокие дозы кремния неблагоприятно сказываются как на содержание так и на вынос фосфора с биомассой. Данная закономерность прослеживается во всех опытных вариантах на высоком уровне минерального питания. На низком уровне минерального питания происходит значимые изменения по содержанию фосфора в более позднюю фазу развития растений (Рис.10).

4. Анализ содержания калия в растениях.

Рисунок 11. Влияние Si 1 мг/кг на содержание общего калия в растениях ячменя (1 отбор)

Рисунок 12. Влияние Si 1 мг/кг на содержание общего калия в растениях ячменя (2 отбор)

При внесении малых доз кремния как в начале вегетации, так и во время фазы кущения на высоком уровне обеспеченности элементами минерального питания происходит увеличение как общего содержания калия, так и его выноса с биомассой. На низком фоне минерального питания изменения не существенны.

Рисунок 13. Влияние Si 3 мг/кг на содержание общего калия в растениях ячменя (1 отбор)

Рисунок 14. Влияние Si 3 мг/кг на содержание общего калия в растениях ячменя (2 отбор)

Внесение высоких доз кремния неблагоприятно влияет на содержание калия в растениях при низкой обеспеченности почвы элементами питания. На высоком минеральном фоне происходит лишь увеличение выноса калия с биомассой при внесении кремния.

Выводы

· В вегетационном опыте установлена эффективность испытуемых (1 и 3 мг/кг) кремниевых удобрений на высоком уровне обеспеченности почвы элементами минерального питания (N₂₀₀P₂₀₀K₂₀₀).

· В начале вегетации растений происходит увеличение содержания азота (на 13,14%, соответственно дозам минеральных удобрений) при внесении 1 мг/кг кремния. В фазу кущения происходят разноплановые изменения в зависимости от минерального фона (увеличение на низком и снижение на высоком).

· Процентное содержание фосфора в растениях зависит от использования кремниевых удобрений (1 мг/кг). При внесении малых доз кремния содержание фосфора снижается на низком минеральном фоне независимо от фаз вегетации. На высоком фоне минерального питания снижение процентного содержания фосфора происходит в фазу кущения. Высокие дозы кремния неблагоприятно сказываются как на содержание так и на выносе фосфора с биомассой, особо четко это прослеживается во всех опытных вариантах на высоком уровне минерального питания.

· При внесении малых доз кремния на высоком уровне обеспеченности элементами минерального питания происходит увеличение общего содержания калия и его выноса с биомассой. Внесение высоких доз кремния неблагоприятно влияет на содержание калия в растениях при низкой обеспеченности почвы элементами питания.

· В опыте установлено положительное действие водорастворимой формы кремния на растение ячменя, что позволяет расширить его использование для растений кремнефилов, регулируя его концентрацию и уровень минерального питания.

1. Школьник М.Я. Микроэлементы в жизни растений. Л.: Наука, 1974.324 с.

2. Прянишников Д.Н. Агрохимия. Избр. соч. М.: Колос, 1965. Т.1.767 с.

3. Тимирязев К А. Жизнь растения. М.; Л.: Сельхоз-газ, 1936.329 с.

4. Вернадский В.И. Биосфера. Труды по биогеохимии. М.: Мысль. 1967.376 с.

5. ж. Химия в с/х, 1987,№ 6. /Ермолаев А.А. // Кремний в с/х., стр 45−47

6. Алешин Е.П., Щукин М.М., Шейджен А.Х. Содержание и вынос элементов минерального питания рисом // Агрохимия. 1986. № 9. С.82