В течение последних двух десятилетий, все более широкое использование различных видов минеральных и органических удобрений привело к впечатляющему росту урожайности в развивающихся странах. Основной упор в них был сделан на применение макроэлементов - азотных, фосфорных и калийных удобрений.
Долгое время считалось, что в рамках существующих систем земледелия и удобрения уровень содержания микроэлементов являлся достаточным и проблема недостатка микроэлементов была не существенной. Тем не менее, данные из развивающихся стран показывают, что проблема микроэлементов становятся все более и более часто встречающейся.
В начале 1970-х гг. правительство Финляндии, Институт почвоведения Финляндии и ФАО приступила к системным исследованиям недостатка микроэлементов в развивающихся странах.
В 1974 году проект «Исследование следовых элементов (микроэлементов), TF/129/FIN» был начат в рамках совместной программы ФАО / Финляндия при финансовой поддержке правительства Финляндии, в сотрудничестве с Институтом почвоведения Финляндии, под руководством профессора М. Sillanpää. Все объекты института были предоставлены в распоряжение проекта. Эта программа по исследованию микроэлементов, выполнялась в сотрудничестве с 30 странами.
Исследования, которые описаны в данном документе, показывают, что они были очень своевременным. Похоже, что микроэлементы становятся дефицитными в развивающихся странах и их содержание должно быть восстановлено для обеспечения полного плодородия почвы и продуктивности растений. Исследования также дают исходную информацию для дальнейшего изучения микроэлементов, которое должно быть проведено на национальном уровне.
ФАО выражает свою признательность правительству Финляндии за его щедрую поддержку в исследованиях и за всяческое содействие.
Введение
Несмотря на рост использования удобрений, в основном макроудобрений, они по прежнему ежегодно выносятся из почвы в большем количестве, чем применяются в качестве минеральных удобрений. Некоторые питательные вещества, вынесенные из почвы, заменяются на те, которые содержатся в соломе, навозе и т.д., но в среднем баланс питательных веществ остается отрицательным, особенно это отмечается в менее развитых странах.
Микроэлементы не вносятся в почву, регулярно, совместно с основными удобрениями и удобрение почвы только макроудобрениями может способствовать дисбалансу между этими питательными группами, а также между отдельными элементами питания. В дальнейшем с повышением урожайности, потери микроэлементов в результате выщелачивания, известкования, уменьшения доли применяемых органических удобрений по сравнению с химическими макро-удобрениями и повышением их чистоты, будут являться одним из факторов способствующих ускоренному снижению содержания доступных микроэлементов в почвах.
Проблема недостатка микроэлементов, гораздо более обширна, чем об этом думали ранее. Проблема микроэлементов, которая кажется лишь локальной сегодня, вполне может стать более серьезной и обширной в недалеком будущем. Микроэлементы должны быть как можно быстрее изучены, чтобы избежать производственных проблем, связанных с количеством и качеством производимых продуктов питания и кормов, имеются в виду также медицинские аспекты, касающиеся, как человека, так и животных. Хотя уже многое известно о функциях микроэлементов, необходимо провести обширные исследования и анализы, чтобы избежать неправильного их использования.
Одна из самых больших проблем, возникающих при изучении микроэлементов, заключается в том, что методики принятые для проведения анализов по определению микроэлементов в разных странах существенно различаются. Иногда даже небольшие изменения в методиках определения могут вызвать весьма существенные различия в результатах исследований. Поэтому трудно сравнить результаты, полученные разными учеными в разное время. Можно сказать, что ученые используя различные методики исследований, как будто говорят на "разных языках". Следовательно, вся имеющаяся информация о микроэлементах весьма фрагментарна и есть очень мало оснований для ее сравнения. Споры по этому вопросу между ФАО и Финляндией в 1973 году привели к созданию международного проекта под названием "Исследование следовых элементов (микроэлементов), TF 129 FIN".
Целью исследований, как об этом было первоначально заявлено, «являлось получение свежей информации в мировом масштабе о количестве микроэлементов в различных почвенно-климатических условиях». Результаты, которые будут получены, будут сопоставимы, потому что все аналитические исследования будут проведены в одной лаборатории, и по единой методике. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем заинтересованными странами, чтобы ближе познакомиться с проблемами микроэлементов, использовать их при работе в своем сельском хозяйстве, чтобы наметить направления своих будущих научных исследований и практической работы, другими словами, цель заключается в 1) получение общей картины содержания микроэлементов в мировом масштабе, 2) найти предельное их содержание и проблемные зоны и условия, в которых один или несколько из микроэлементов будут недостаточными и где необходимы более детальные полевые исследования в будущем 3) способствовать решению проблем возникающих на практике.
Проект был начат в конце 1974 года в сотрудничестве с ФАО и финансировался правительством Финляндии. Первоначально ожидалось, что в проекте будут участвовать 25 стран, но приглашения были направлены 40 странам. Интерес к проекту, однако, был большим чем ожидалось и подтверждения о участии были получены от 35 стран, 30 из которых приняли активное участие в проекте путем сбора и предоставления почвенных и растительных образцов в Финляндию для проведения исследований в лаборатории (Институт почвоведения Финляндии) где использовалась единая методика определения для всех полученных образцов. Большинство участников составили развивающиеся страны, но также для участия в проекте были приглашены некоторые высокоразвитые страны для сравнения полученных результатов.
Следующие ученые из 30 стран принимавших в исследованиях активное участие были ответственными за сбор и предоставление почвенных и растительных образцов для исследования: Аргентина: д-р P.H. Etchevehere, профессор А. Berado; Бельгия: профессор д-р А. Cottenie; Бразилия: г-н А. Ф. Castro Bahia Filho, г-н С. Wietholter; Эквадор: В. Bejarano, J. Villavicencio; Египет: д-р Аbdel Hamit Fathi; Эфиопия: Аto Desta Beyene; Финляндия: профессор д-р P. Elonen; Гана: д-р H.B. Оbeng; Венгрия: профессор д-р I. Szaboles, доктор Еva Эlek; Индия: д-р N.S Randhawa; Ирак: д-р Khalil Mosleh, доктор Nouri, A.K. Hasan; Италия: профессор д-р Ф. Мansini; Корея д-р Тai-Soon Kim; Малави: г-н D.R.B/ Маnda; Мальта: г-н А. Scicluna-Спiteri; Мексика: G. Flores Мата, д-р L. Lopez Martinez de Alwa; Непал: г-н Маnik L. Pradhan; Новая Зеландия д-р R.B. Miller; Нигерия: д-р B.O.E. Аmon, д-р S.А. Adetunji; Пакистан: д-р M.B. Choudhri; Перу: г-н J.H. Кristensen; Филиппины: д-р G.N. Alcasid, д-р J. Маrianno; Сьерра-Леоне: д-р I. Hague; Шри-Ланка: д-р С. Nagarajah; Сирия: г-н S. Kourdi; Танзания: г-н JK Samki; Таиланд: г-н Samrit Chaiwanakupt; Турция: д-р М. Ozuygur; Замбии: г-н Kalaluka Munyinda.
Мikko Sillanpiia
Я хотел бы выразить мою благодарность вышеперечисленным ученым, их коллегам и помощникам за прекрасное сотрудничество, за предоставленные мне образцы для исследований и другую необходимую информацию. В общей сложности было изучено 7 488 образцов (половина из них почвенные образцы) от первоначально запланированных 8000 образов, что составило 94%.
Я в большом долгу перед специалистами и техническими сотрудниками Института почвоведения Финляндии, которые провели сложные лабораторные исследования включавшие 170 000 химических и физических анализов, я хотел бы отметить д-ра J. Sipolla и г-на Т. Ylaranta за оказанные консультации и за практическую помощь на различных этапах исследований. Я также хотел бы поблагодарить г-на С. Hyvarinеn, который выполнил статистический анализ и компьютерную обработку данных. Моя особая благодарность г-ну H. Jansson, моему помощнику, который с большим энтузиазмом и интересом был превосходным помощником мне во время длительного курса этого исследования и доктору F.W. Hauck, руководителям AGLS, ФАО за их большой интерес к этой работе и за их поддержку и сотрудничество с самого начала проекта.
Я хочу выразить благодарность д-ру П. Аrnens, профессору д-ру А. Cottenie и др К. Хармсен, который редактировал первую часть рукописи и сделал ряд ценных замечаний, предложений и разъяснений, и доктору Н. Borloug и д-ру Р. Л. Paliwal которые были достаточно любезны, чтобы проверить списки сортов пшеницы и кукурузы включенных в эти исследования.
Моя благодарность также г-ну H.K. Ashby за его помощь в окончательной редакции текста.
ЧАСТЬ I
Почвы и растения, методология и обсуждения
1. Материалы и методы
1.1 Сбор растительных и почвенных образцов
Подробные инструкции для отбора растительных и почвенных образцов была разосланы всем координаторам в различных странах в целях стандартизации методов отбора проб и получения материала хорошего качества для аналитических исследований.
Координаторов также попросили предоставить дополнительную информацию об образцах, включающую: сорта растений, их урожайность, использование макро- удобрений NPK в течение последних трех лет, использование навоза и извести, борьбу с вредителями, меры контроля, тип почвы по классификации ФАО/ЮНЕСКО, известные или предполагаемые факты недостатка микроэлементов или их токсичности и т.д.
1.2 Изучение растений
1.2.1 Подробно
Пшеница и кукуруза были выбраны в качестве растений индикаторов для этих исследований не потому, что они являются оптимальными индикаторами содержания микроэлементов в почве, а потому что они являются наиболее широко распространенными культурами во всем мире. Кроме того, они дополняют друг друга территориально, потому что кукуруза выращивается в более влажных районах, а пшеница в более засушливых.
Тем не менее, образцы растений из разных стран оказались слишком неоднородными, чтобы точно отразить содержание микроэлементов в почвах, на которых они были выращены. Было известно, что различия в содержании микроэлементов в пшенице и кукурузе будут вызваны неоднородностью образцов растений и сделать обобщенные выводы будет очень сложно. Кроме того, среди других факторов, оказывающих влияние на результаты исследований были:
- Различный физиологический возраст растений в выборке. Физиологический возраст кукурузы и яровой пшеницы в выборках варьировал от 20 до более чем 60 дней, так же и для озимой пшеницы;
- Загрязнение (заражение) растений почвами на полях или во время отбора проб, предварительной обработки или транспортировки;
- Различия в уровнях применения макроудобрений, уровнях урожайности, орошения, использования гербицидов и пестицидов, возможно содержащих микроэлементы.
- Различия вытекающие из особенностей сортов сельскохозяйственных культур.
Величина воздействия вышеперечисленных факторов изменялась от одного образца к другому и не может быть точно оценена, но предпринимались попытки количественно уменьшить некоторые из них.
1.2.2 Время отбора проб
Влияние времени отбора проб на содержание микроэлементов в растениях изучали на полях с яровой и озимой пшеницей. Отбор образцов, предварительная обработка и аналитические исследования проводились по международным стандартам исследований, кроме того отбор проб проводился два раза в неделю в течение всего вегетационного периода. Четкого различия в содержании или поведении микроэлементов между яровой и озимой пшеницей не было. Данные по всем полям, и всем сортам были объединены и показаны на рис. 1.
Они были представлены более подробно Ylaranta Эль-Аль. (1979). Высокие концентрации B, Cu, Fe, Mn, Mo и были отмечены на ранней стадии роста растений, а затем существенно сокращались к концу вегетационного периода. Диапазоны содержания B были примерно от 7 до 2 г/т, Cu примерно от 7 до 3-4 г/т, а Fe от 120 до 40-50 г/т. Изменения в концентрациях Mn и Мо были менее регулярными, а в случае с Мn тенденция к увеличению отмечалась к времени уборки урожая. Поведение Zn отличалось от других микроэлементов. Изменения в концентрации Zn были относительно небольшими, имелась небольшая тенденция в сторону увеличения на более поздних стадиях роста. О тенденция к снижению содержания макро-питательных веществ (P, K, Ca, Mg ) в пшенице сообщили также Сиппола и соавт. (1978). Аналогичные результаты были получены и опубликованы в других местах с другими растениями.
Поскольку концентрация микроэлементов в растениях зависит от времени отбора проб (физиологический возраст растений), то очевидно, что содержание микроэлементов в образцах, взятых на разных стадиях роста не вполне сопоставимы и могут дать искаженную оценку содержания микроэлементов в почве.
1.2.3 Загрязнение
Почва, вероятно, будет наибольшим загрязнителем растительных образцов. Это может быть вызвано почвенной пылью, поднятой ветром, разбрызгиванием дождя или некоторых других взаимодействий почвы и растений. Эффект влияния загрязнения почвой на концентрацию микроэлементов в растении зависит от степени загрязнения, химического элемента, содержания микроэлементов в загрязняющей почве, и т.д. Например, если растительный образец массой 2 грамма сухого вещества, содержит 6 ppm B, 7 ppm Cu, 61 ppm Fe, 112 ppm Мn, 0.32 ppm Мо, и 18 ppm Zn (среднее содержание микроэлементов в пшенице выращенной горшке в этом исследовании), то загрязненный 10 мг почвы, содержащит 10 ppm B, 50 ppm Cu, 40 000 ppm Fe, 1 000 ppm Мn, 2 ppm Мо и 80 ppm Zn (содержание микроэлементов в минеральных почвах) загрязнение почвой теоретически может влиять на результаты анализов по содержанию микроэлементов в растительных образцах следующим образом: содержание B ¬ увеличится с 6,00 до 6,02 ppm, то есть ошибка + 0,3%. Кроме того, ошибка для Cu была бы 3,1%, для Fe 327%, для Mn 4,0%, для Мо 2,8%, а для Zn 1,7%.
В соответствии с этими теоретическими расчетами, риск загрязнения растительных образцов почвой является относительно небольшим в случае с B, Cu, Mn, Mo и Zn, по сравнению с Fe. Сравнение уровней содержания железа в отдельных растительных образцах привело к предположению, что образцы подвергаются сильному загрязненной почвой. Нередко содержание Fe в растительных образцах вызванное загрязнением почвой было большим, чем в приведенном выше примере. Таким образом, все результаты анализов Fе в исходных (предоставленных) растительных образцах не учитывались.
1.2.4 Сорта растений (разнообразие растений)
Способность различных сортов культурных растений, поглощать микроэлементы из почвы, также как и их потребность в микроэлементах может существенно различаться. Например, Randhawa и Takkar (1975) обратили особое внимание на различия в потребности различных видов и сортов сельскохозяйственных культур к дефициту цинка. Из-за большого количества сортов растений, эти данные фрагментарны и могут быть использованы только лишь в особых случаях, для объяснения результатов исследований с микроэлементами.
Растительный материал полученный для этих исследований из разных стран включал более 200 сортов пшеницы и более 200 сортов кукурузы, поэтому исследования отдельно по каждому сорту не проводились. Была предпринята попытка классифицировать сорта на две группы: высокоурожайные сорта (HYV) и местные сорта, и сравнить содержание питательных веществ в этих двух группах. Однако, эти анализы, охватывающих все образцы растений, не удалось провести по ряду причин. Например:
- Ни одна из двух групп сортов не была однородной. Различные высокоурожайные сорта, выращенные в разных странах и местные сорта были очень разнородными, в развивающихся странах это в основном были местные сорта, а в развитых странах это были значительно улучшенные сорта пшеницы и кукурузы, результат селекционной работы в развитых странах .
- Большие различия между различными группами были в уровне применения N, P и К удобрений в различных странах, оказывающем влияние на поглощение питательных веществ.
- Уровень урожайности HYV (высокопродуктивных) сортов, как правило, выше, чем у других сортов; фактор, который следует принимать во внимание при сравнении содержания питательных веществ в растениях.
- Содержание питательных веществ в почвах на которых выращивались различные группы растений были разнообразны настолько, что часто не было оснований для их сравнения не были.
- В некоторых странах растения одного и того же сорта выращивались на осушаемых землях и на землях с хорошим увлажнением.
Тем не менее, в некоторых странах, несмотря на некоторые различия в почвах, уровнях урожайности и применении удобрений, различия в содержании элементов питания в растительных образцах между двумя группами были настолько различными, что были сделаны выводы о их генетическом различии… При этом следует иметь в виду, что эти данных носят локальный характер и не могут быть обобщены и применены к другим условиям. Это был один из факторов повлиявших на неоднородность исходного материала растительных образцов и, следовательно, на расхождения между результатами растительных и почвенных анализов.
1.2.5 Необходимость лучших оснований для сравнения растительных образцов
Чтобы уменьшить причины без контрольного изменения содержания микроэлементов в изучаемых растительных образцах, и выявить основания для сравнения результатов исследований растений, в горшках были выращены новые образцы растений-индикаторов (пшеница, сотр 'Apu') на почвах, полученных из участвующих в эксперименте стран.
Необходимо понимать, однако, что факторы окружающей среды, оказывающие влияние на доступность микроэлементов растениям, такие как температура, влажность почвы и выветривание, окислительно-восстановительный потенциал, были одинаковыми при выращивании растений-индикаторов в горшках. Поэтому в дальнейшем эти факторы должны быть приняты во внимание, при объяснении результатов, полученных при различных факторах окружающей среды. Есть относительно немного данных о влиянии температуры на доступность микроэлементов, но общеизвестным является и то, что окислительно-восстановительные процессы оказывают влияние на доступность Fe и Mn больше чем других микроэлементов, включенных в исследование. Формы, Fе 2+ и Mn 2+ более доступны растениям, чем оксид Fe 3+ и Мn 3+ или Mn 4+. В второй части (сравнение предоставленных и выращенных в горшках растительных образцов), указывают на то, что доступность растениям Мn существенно зависит от влажности почвы более чем B, Cu, Мо или Zn. Другой недостаток выращенных в горшках растений-индикаторов - эффект подстилающего горизонта. Различия в содержании микроэлементов и/или их доступностью в подстилающем горизонте и пахотном слое почвы могут оказывать сильное влияние на доступность микроэлементов растениям, особенно в более поздние стадии роста, когда корневая система хорошо развита. Считается, однако, что эти неудобства компенсируются выгодой, полученной, от выращивая новых растений- индикаторов в горшках.
Дальнейшие обсуждения (если они не помечены иначе) относительно поведения данных шести микроэлементов - B, Cu, Fe, Мn, Мо и Zn, основаны на результатах, полученных в результате исследований образцов пшеницы, выращенных в горшках при одинаковых условиях.
1.2.6 Выращивание новых растений-индикатора в горшках
Небольшое количество почвы, в образцах полученных из стран участвующих в исследованиях, вынудило использовать маленькие горшки (200 мл) частично (75 мл), заполненных кварцевым песком. Кварцевый песок был промыт с 6 N HCI и после нее неоднократно деионизированной водой, пока не перестала появляться реакция на AgNО3. Две трети (50 мл) кварцевого песка были помещены ниже почвы (100 мл) и одна треть (25 мл) выше почвы, чтобы предотвратить разрушение структуры поверхности почвы, формирование корки из-за выветривания и минимизировать загрязнение растений почвой. Основания горшков были покрыты фильтровальной бумагой, чтобы предотвратить утечку кварцевого песка, и не препятствовать стеку поливной воды. Избытки поливной воды собирали в блюдечке под горшком и снова использовали для полива растений в том же горшке. Полив выполнялся один раз в день, используя деионизированную воду в количествах, достаточных, чтобы обеспечивать влажность почвы близкую к полевой.
Чтобы предотвратить дефицит макро-элементов, применялись удобрения в жидкой форме с поливной водой приблизительно соответствующие уровню 60 кг N, 30 кг P2О5, 30 кг K и 15 кг Мg на гектар, первая в конце второй, а вторая в середине четвертой недели после высадки.
Яровая пшеница (сорт 'Apu') использовалась в качестве растения-индикатора. По десять семян были помещены в каждый горшок на поверхность почвы и покрыты 25 мл кварцевого песка. После прорастания количество растений было сокращено до восьми. Растительные ткани высотой 1 см над поверхностью кварцевого песка отбирались для анализа на 36-ой день после высадки, высушивались, взвешивались и анализировались. Приблизительно 5% образцов почв были слишком маленькими, чтобы выращивать на них новые растения-индикаторы в горшках.
1.3 Методы исследований
Чтобы получить информацию о содержании микроэлементов в почве и растениях было проделано большое количество исследований. Эти исследования включали изучение структуры почвы, способности обмена катионов, значение pH , электро- проводимость, содержание CaCO3, органического вещества, вес, объем почвы и содержание микроэлементов в почвах и растениях. На ранней стадии исследований, выбирая методы для анализов содержания микроэлементов в почве, предварительно были проведены исследования с применением различных методик на ограниченном числе образцов. В каждом из предоставленных образцов четыре микроэлемента (Cu, Fe, Мn, Zn) были определены двумя различными методами.
