The restoration of technogenically-disturbed territories represents one of the most critical ecological and forestry challenges, particularly in regions with a high degree of anthropogenic impact, such as the Ural region. This study ex-plores the possibility of using amorphous silica as a fertilizer to increase the efficiency of forest ecosystem recovery on reclaimed lands. Amorphous forms of silica exhibit multifunctionality and can exert both direct impacts on plant resili-ence to various stresses and indirect influences by improving soil properties and enhancing its fertility. The objective of this investigation is to evaluate the effect of amorphous silica on the growth of Scots pine (Pi-nus sylvestris L.) and Siberian spruce (Picea obovata Ledeb.) seedlings in a reclaimed granite quarry. To accomplish this, sites were chosen within the educational-experimental polygon for land reclamation of disturbed lands at the Ural State Forest Engineering University, situated at the Isetsk granite quarry in the Sverdlovsk region. The soil analysis revealed a moderate soil acidity level (pH 4.92±0.12) and low concentrations of water-soluble potassium and nitrate nitrogen in the soils of the reclaimed site, along with a relatively elevated content of available phosphorus. These findings suggest the need for applying fertilizers and soil amendments during the establishment of forest plantations. As part of the study, works were carried out on the application of amorphous silica, as well as an analysis of its effect on the growth of tree seedlings. The findings from this research will broaden our comprehension of the efficacy of silicon-based fertilizers under forestry reclamation conditions and propose novel strategies for restoring ecosystems in technogenically disturbed areas
amorphous silica, land reclamation, granite quarry, Pinus sylvestris L., Scots pine, Picea obovata Ledeb. Siberian spruce
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. Poligon «Ural-Karbon» (Severka) / S. V. Zalesov, V. V. Fomin, E. P. Platonov, G. A. Godovalov, K. A. Bashegurov, P. N. Suraev // Lesa Rossii i hozyaystvo v nih. 2021; 3 (78): 4–14. DOI:https://doi.org/10.51318/FRET. 2021.89.34.001.
8. Fomin V. V., Zalesov S. V., Agapitov E. M., Rogachev V. E., Marina N. V., Lantinova A. V. Nauchnye issledovaniya i razrabotki ural'skogo gosudarstvennogo lesotehnicheskogo universiteta v oblasti klimaticheskih proektov // Lesa Rossii i hozyaystvo v nih. 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. Osipenko A. E., Zalesov S. V., Danilov I. A., Lantinova A.V. Prizhivaemost' lesnyh kul'tur na uchebno-opytnom poligone rekul'tivacii narushennyh zemel' // Effektivnyy otvet na sovremennye vyzovy s uchetom vzaimodeystviya cheloveka i prirody, cheloveka i tehnologiy: Materialy XV Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii, Ekaterinburg, 08 fevralya 2024 goda. – Ekaterinburg: Ural'skiy gosudarstvennyy lesotehnicheskiy universitet, 2024. – S. 228-232. – EDN VVZSKD. U
20. Pavlenko D. I., Malaya M. S., Bashegurov K. A., Osipenko R. A., Belov L. A. Effektivnost' lesohozyaystvennogo napravleniya rekul'tivacii peschanyh kar'erov / Lesa Rossii i hozyaystvo v nih. 2022; 2 (81): 19–26.
21. Zalesov S. V., Zaripov Yu. V., Osipenko R. A. Opyt lesohozyaystvennogo napravleniya rekul'tivacii narushennyh zemel' pri razrabotke mestorozhdeniy gliny, hrizotil-asbesta i redkozemel'nyh rud. Ekaterinburg : Ural. gos. lesotehn. un-t, 2022. 282 s.
22. Bachurina A. V., Zalesov S. V., Tolkach O. V. Effektivnost' lesnoy rekul'tivacii narushennyh zemel' v zone vliyaniya medeplavil'nogo proizvodstva // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2020; 24 (6): 67–71. DOI: 10.18412-1816-0395-2020-6-67-71.
