Об использовании галофитов для реабилитации земель солеуглеводородного загрязнения и производства кормов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Об использовании галофитов для реабилитации земель солеуглеводородного загрязнения и производства кормов

Н.П. Енсен, Д.Дж. Карти, Р. Мартин, К. Руддер, З. Шамсутдинов, Н. Шамсутдинов

Рассматривается проблема использования галофитов для устойчивого развития жизнеспособного сельского хозяйства в аридных районах мира. Обсуждаются возможности использования галофитов различных видов как для восстановления деградированных земель, включая засоленные и нефтезагрязненные, так и для производства высокобелковых энергонасыщенных кормов, зернофуража, лекарственного и масличного сырья. Описаны методы, разработанные во ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса, для рассоления вторично засоленных почв с использованием Kochia scoparia, Suaeda arcuata, S. accuminata, Glycyrrhiza glabra. Приведены образцы, выделенные при комплексном исследовании галофитов, которые могут служить исходным материалом для селекции. Показано, что дальнейшие работы в области галофитного растениеводства связаны с мобилизацией мировых генетических ресурсов, формированием их генофонда, созданием системы эдафически специализированных сортов, разработкой технологий выращивания, переработки и использования растений-галофитов.

галофит сельское хозяйство земля

Summary

ABOUT HALOPHYTE USE FOR REHABILITATION LANDS WITH SALT-CARBOHYDRATE CONTAMINATION AND FODDER PRODUCTION

N.P. Ynsen, D.J. Carty, R. Martin, K. Rudder, Z. Shamsutdinov, N. Shamsutdinov

The authors consider the problem of halophyte use for stable development of viable agricultural farm in world arid zones. The possibilities of halophyte different species for restoration of degradative lands including salina and petroleum contamination, and also for production of energized fodder with high protein content, grain forage, medicinal and oil-bearing crops were discussed. The methods were described, which developed in V.R.Wil'yams All-Russian Scientific Research Institute of Fodder for desalination of a second time saline soil by means of Kochia scoparia, Suaeda arcuata, S. accuminata, Glycyrrhiza glabra. The crops are presented, which may be origin material for breeding. It was shown, that subsequent tasks in the area of halophyte cultivation are mobilization of world genetic recourses, formation their genofond, creation of special edaphic varieties, elaboration of cultivation technology, processing and utilization of plants-halophytes.

Растениеводство в аридных районах мира, как правило, базируется на использовании для орошения пресной воды. На земном шаре запасы пресной воды невелики и составляют 2,53 %, соленой воды -- 97,47 % (1). При всевозрастающем расходе пресной воды ее дефицит в ближайшие годы во всех странах значительно увеличится, что обусловливает необходимость поиска возможностей использования соленой воды при производстве кормов, зернофуража, лекарственного и масличного сырья с участием галофитов.

Галофиты -- группа экологически, физиологически и биохимически специализированных видов растений, способных пройти полный жизненный цикл, формируя при этом растительную массу и семенную продукцию в условиях почвенного засоления и (или) орошения солеными водами (морская, подземная, коллекторно-дренажная). Мировой генофонд галофитов насчитывает 2500 видов, в том числе 900 видов в Центральной Азии и 512 видов в России (2-4).

Дикорастущие галофиты представляют большой интерес как энергоносители, растения-биомелиоранты и фиторемедиаторы нефтезагрязненных участков, а также в качестве кормовых, лекарственных и масличных культур (5-7).

Существует три подхода к использованию соленых вод при выделении растений: выращивание морских водорослей; создание сортов традиционных сельскохозяйственных культур, обладающих устойчивостью к засоленности почвы и/или орошению соленой водой; отбор и подбор солеустойчивых видов и экотипов природной флоры (галофитов), которые могут быть введены в культуру (8, 9).

Попытки ученых в течение многих лет создать сорта, устойчивые к засоленности почвы и орошению морской водой, не увенчались сколь-либо удачными результатами (8). Рассмотрим некоторые итоги исследований и использования галофитов для реабилитации земель солеуглеводородного загрязнения и производства кормов в аридных районах США, стран Центральной Азии и Российской Федерации.

С о с т о я н и е и с с л е д о в а н и й и и с п о л ь з о в а - н и е г а л о ф и т о в в США. Переоткрытие «забытых» видов. Первые работы по использованию дикорастущих галофитов для интересов сельского хозяйства были проведены в 1960-х годах Boyko (10-12), а затем продолжены в университетах штатов Делавер и Аризона (13, 14). Эти работы положили начало обширной программе по галофитам в США. По данным Yensen, территория под засоленными землями почти в 2 раза больше площади орошаемых земель, что является существенным потенциалом как для повышения, так и для стабилизации, производства пищевой продукции (7, 14). В течение последних 10 лет в лаборатории по окружающей среде Аризонского университета проведены анализ и оценка более 1000 видов растений-галофитов из 25 аридных районов мира при орошении морской водой. При этом было отобрано более 100 перспективных видов кормовых и масличных растений. Введение галофитов в культуру будет способствовать расширению поиска дикорастущих форм и отбора из них лучших образцов для производства полезной продукции.

Мы собрали, оценили и проанализировали тысячи образцов галофитов почти со всего мира (8). Особого внимания заслуживает род Distichlis. Distichlis palmeri -- ценная зерновая культура, которую возделывали еще индейцы. Растения этого галофита имеют широкое географическое распространение, характеризуются высокими селекционным потенциалом и устойчивостью к повышенной засоленности среды; обладают потенциальными возможностями при возделывании на зерно (15-18). Коллекционные образцы D. palmeri были собраны и направлены в Смитсоновский институт еще в 1888 году, описаны в 1889 году Vasey (19). Тогда усилия по использованию растений этого вида были неудачными, однако в 1978 году Fontes и Yensen обнаружили (переоткрыли) дикорастущий вид D. palmeri севернее г. Сан Фелипе (Мексика).

Гермплазма галофитов природной флоры. Эффект «сои». После существенной ремедиации засоленных заброшенных земель в Мексике мы перенесли опыты по испытанию галофитов на участки с тяжелыми глинистыми почвами вблизи Hermosillo, где сельскохозяйственные культуры орошают океанской соленой водой с содержанием соли 10-25 г/л. Мы впервые провели опыты по внесению удобрений под посевы Distichlis*. При внесении азота в различных дозах нами не выявлено существенных различий между образцами (n = 25) по продуктивности, вероятно, из-за высокой вариабельности у дикорастущих форм. При клонировании гермплазмы наблюдалось повышение урожайности некоторых образцов при увеличении доз вносимого азота. В питомниках размножения исходных форм различного эколого-географического происхождения, характеризующихся высоким уровнем изменчивости, в 1985 году были отобраны высокоурожайные гибриды D. palmeri, устойчивые к поливу океанской водой (20).

В результате национального и международного сотрудничества было получено семь патентов на селекционные достижения, включая патент по D. palmeri. Первый сорт D. palmeri, программа и компания получили название «NyPa» в честь индейского племени «nyipa». Затем было подписано техническое соглашение с Аризонским университетом, в котором проводили опыты с гермплазмой NyPa. Фонд A. Charles и Ann Morrow Lindbergh оказывал финансовую поддержку в исследованиях галофитов, и мы благодарны ему за это. Эксперименты с D. palmeri получили широкую огласку; мы даже удостоились чести угостить хлебом из D. palmeri астронавта W. Schirra.

Неизвестную ранее зерновую культуру можно представить на рынке в качестве пищи для гурманов, здоровой пищи, популярной пищи, корма для животных или сидератной культурой. Однако следует учитывать, что новая культура как пищевой продукт нередко воспринимается с осторожностью. Например, соевые бобы имеют отличные питательные достоинства, но в то же время пригодны для скармливания скоту, поэтому многие люди отказываются употреблять их в пищу, отождествляя с кормом для скота. Для того чтобы избежать «соевого эффекта», мы представили Distichlis как зерновую культуру для гурманов в виде мелких штучных изделий по цене 72 доллара за один фунт, для того чтобы инициировать спрос.

Фиторемедиация нефтезагрязненных заброшенных засоленных пустошей -- весьма трудоемкий процесс, занимающий много времени, требующий понимания значимости проводимых мероприятий, разработки и усовершенствования методологии (21-24). Прямой дренаж является весьма априорным, так как это дорогостоящий способ. В почве, как правило, имеется слой, аналогичный асфальту или водонепроницаемой глине. Во многих местах непроницаемые для воды слои почвы близко прилегают друг к другу, очень уплотнены или располагаются непосредственно один над другим, в результате чего в подпочве образуются участки локального скопления соленой воды с различной концентрацией солей (25). В таких эдафических условиях затормаживаются рост и развитие растений и их подпочвенной корневой системы; корни располагаются над поверхностью плотных гидрокарбоновых слоев и очень слабо их разрушают. Даже на тех почвах, где нет четкого наслоения водонепроницаемых слоев (нефтяные, глиняные), соли диспергируются в различных частицах, формируя коллоиды, которые запечатывают почвенные поры, делая дренаж практически неэффективным. Следовательно, для того чтобы повысить водопроницаемость таких слоев, необходимо увеличить пропускную способность пор в засоленной почвенной матрице или кардинально удалить соли.

Микробные ассоциации. Как известно, микробные ассоциации, связанные с корнями, могут изменять структуру почвы за счет формирования комочков. Нефтеразлагающие бактерии имеются почти повсеместно, а солеустойчивые микробы -- в достаточно большом количестве на участках нефтесолевого загрязнения. Дать сравнительно быструю оценку эффективности работы солеустойчивых нефтеразлагающих бактерий конкретно на любом участке позволяет конъюгация последних. Этот процесс может быть сокращен до 6 мес в году, если проводить инокуляцию специально отобранных микроорганизмов. В некоторых случаях это необходимо для изменения доминантных микробных сообществ. Одним из наиболее сложных аспектов бактериального потребления нефтяных остатков является гидрофобность последних, неспособность микробов проникать в почвенную матрицу без достаточного обеспечения водой и способность аэробных бактерий размножаться в условиях плохой аэрации. Улучшение зоны и сферы деятельности микроорганизмов может активировать потребление или переработку нефтяных остатков и изменение свойств почвы. Механическая вспашка и инкорпорация органического вещества и/или возделывание галофитов с ризоканикулярным эффектом -- методы, позволяющие улучшить водно-физические свойства загрязненной почвы.

Подбор галофитов, которые могут потенциально накапливать органические вещества в почве (масса корней), является очень важным, и даже не всегда подтверждается факт, что растения с обильной надземной массой являются для этого лучшими. Показано, что у злаков засоленных болот, в частности Spartina alterniflora Loisel., Distichlis spicata (L.) Greene и Juncus roemerianus Scheele, формируется большое количество органической массы в почвенном профиле -- до 42 кг/м³; у высокорослой травы S. alterniflora, напротив, этот показатель минимальный (рис.) (26).

Масса корней Spartina alterniflora Loisel. (1 - высокорослая, 2 - низкорослая формы) в зависимости от глубины почвенного профиля (цит. по 26).

Ризоканикулярный эффект. Опытное поле в Мексике, где выращивали галофиты, было представлено плотными малопроницаемыми щелочными тяжелыми глинистыми почвами, орошаемыми соленой дренажной водой (5-10 г/л 8-15 dS/m*). Корни, корневища и связанные с ними органические вещества растений Distichlis spp. ввиду снижения засоленности и в силу инвазии гликофитных сорняков начали восстанавливать структуру почвы. Это явление у Distichlis spp. и других «ризомно-засоленных» злаков стали называть ризоканикулярным эффектом, так как открывалась возможность для роста и развития растений других видов и изменялись физические свойства почвы. Ризоканикулярный эффект имеет повсеместное распространение: он наблюдался в опытах с растениями различных видов (включая и Distichlis spp.) в Мексике, Намибии, Марокко, Австралии, Испании, Калифорнии, Аризоне, Арканзасе и Оклахоме. Ризоканикулярный эффект у солепоглощающих злаков обусловлен пятью принципиальными фиторемедиационными процессами: физическое пробивание водонепроницаемой подошвы почвы для перемещения солей вниз по профилю; накопление органического вещества для питания бактерий и грибов с целью перестройки порозности почвы и движения солей вниз; частичное перераспределение локализованных частиц соли; вынос в воздух эоловых солей посредством испарения (до нескольких т/га); накопление небольшого количества солей, так как с увеличением порозности почвы соли быстро фильтруются и проникают в глубокие горизонты.

Поглощение и накопление солей в тканях растений. Галофиты поглощают соли, и некоторые из них (особенно суккуленты) аккумулируют эти соли в своих тканях. Содержание основных засоляющих веществ в золе тканей листьев или побегов галофитов различных видов составляет от 10,5 до 54,0 %: Sesuvium portulacastrum (листья) -- 54,0; Batis maritime (листья) -- 44,0; Salicornia bigelovii (побеги) -- 43,2; Salicornia rubra (побеги) -- 38,2; Atriplex inflata (листья) -- 38,2; Borrichia frutescens (листья) -- 36,9; Atriplex nummularia (листья) -- 35,0; Halocharis afghanica (Na+SO₄) -- 31,7; Atriplex lentiformis (листья) -- 31,6, (побеги) -- 14,0; Atriplex vesicaria (листья) -- 30,8; Halocnemum strbilaceum (NaCl) -- 29,0; Salvadora persica (листья) -- 28,1; Salicornia virginica (побеги) -- 24,1; Salsola longistylosa (NaCl) -- 23,4; Atriplex nummularia (побеги) -- 22,6; Juncus gerardii -- 20; Halodule beaudettei (листья) -- 18,2; Ruppia maritima (листья) -- 18,9; Atriplex canescens (побеги) -- 16,0; Atriplex hastate -- 15,0; Scirpus americanus (листья) -- 14,0; Suaeda altissima (NaCl) -- 10,5 % (27-39).

Злаки не аккумулируют соли, например, содержание золы в листьях Hordeum jubatum и Puccinellia nuttalliana составляет соответственно 7,4 и 5,6 % (27, 31). Количество солей у злаков существенно варьирует, например, в растениях D. spicata и Spartina angleica содержится соответственно 9,4 и 8,0 г/л натрия (410 и 346 мМ), 8,0 и 6,2 г/л калия (205 и 159 мМ), причем соли выделяются на поверхность листьев (40, 41).

Эоловые (ветровые) соли. Ризоканикулярный эффект в сочетании с экскрецией солей через биоцеллюлярные железы как у растений Distichlis spp., так и других видов солевыделяющих галофитов обеспечивает ремедиацию верхней части ризосферы. У растений некоторых видов, в частности Distichlis spp., соли выделяются в виде прочных усикообразных микроскопических эоловых кристаллов, которые в аридных условиях могут парить в воздухе. При этом количество соли зависит от качества грунтовой воды, плотности почвы и погодных условий.

Следует отметить, что при засоленности до 20 г/л в год (28 dS/m) в зоне корней Distichlis spp. будет транспирировать 250 мм воды, а на поверхность листьев будет вынесена соль в количестве 50 т/га. Если даже 5 % от этого количества соли станет ветропереносимой (эоловой), то в атмосферу поступит 2,5 т/га соли (39).

Использование ризоканикулярных, солеудаляющих галофитов. Опыт с ризоканикулярными галофитами на нефтезагрязненном поле был начат в Арканзасе более 10 лет назад и закончился успешной фиторемедиацией нефтеуплотненного пустынного участка. В последние годы идет накопление информации и данных по испытанию различных видов ризоканикулярных галофитов на нефтезагрязненном участке водораздела Smackover. Отмечена способность галофитных растений к росту в условиях засоления и разложению нефтяных остатков и грязевых пятен.

Под влиянием ризоканикулярных галофитов постепенно развивается естественная дренированность водонепроницаемых почвенных слоев. Представляют интерес дикорастущие экотипы Distichlis spp. кормового назначения, произрастающие в тех районах, где наблюдается дефицит другой растительности. Возделывание этих растений позволит обеспечивать животноводческие хозяйства зелеными кормами в течение большей части года, а также восстанавливать территории, вытоптанные животными (42).

Очень важен правильный подбор галофитов, так как виды различаются по способу поглощения и дисперсии солей. Например, растения Distichlis spp., Cynodon dactylon, Spartina spp. и Sporobolus spp. обладают способностью к повышению порозности почвы посредством ризоканикулярного эффекта, созданию структуры почвы и селективному перемещению солей по поверхности листьев, в результате чего усикообразные кристаллы соли становятся эоловыми. Следует отметить, что соли воздушного потока не только не ингибируют рост самих галофитов, но и могут служить «удобрением» для окружающей растительности. Так, столовая соль (NaCl) известна как удобрение, которое использовали в южных районах Франции при выращивании винограда.

И с с л е д о в а н и е и и с п о л ь з о в а н и е г а л о ф ит о в в Ц е н т р а л ь н о й А з и и. Работы по использованию галофитов при орошении солеными водами были начаты нами в 1988 году (43-46).

Полевые опыты с орошением галофитов подземными водами проводили в коллективном хозяйстве «Маданият» (Узбекистан, Бухарская обл.). Климат -- континентальный, засушливый, годовая сумма осадков -- 122 мм, почвы -- пустынно-песчаные, слаборазвитые, минерализация подземных вод -- 5-6 г/л. В опыте испытывали следующие виды растений: сведа дуголистная (Suaeda arcuata), солянка туркестанская (Salsola turcomanica), кохия иранская (Kochia iranica), бассия иссополистная (Bassia hyssopifolia), кохия веничная (Kochia scoparia). Интенсивный рост растений всех перечисленных видов однолетних галофитов наблюдался в летний период (июнь-август). Если к концу мая высота растений составляла 4,6-10,2 см, то к концу июня -- 58,7-136,9 см, а в конце периода вегетации возрастала в 11-13 раз (по сравнению с показателями в мае). Растения всех оцениваемых видов галофитов были высокорослыми, однако наибольшая длина стебля отмечена у образцов кохии иранской -- 205 см.

Кормовая продуктивность однолетних галофитов при орошении солеными подземными водами (3,5-6,5 г/л) варьировала в зависимости от вида образца от 10,9 до 28,1 т/га сухой массы (табл. 1). Это свидетельствует о высоких потенциальных возможностях галофитов для производства кормов в условиях пустынной зоны при орошении солеными водами и обеспечения пастбищного животноводства дополнительными кормами в критические периоды содержания животных на природных пастбищах Центральной Азии.

Урожайность растений галофитов различных видов при орошении солеными водами подземных источников (Кызылкумы, 1989 год)