Изменение содержания галогенов в системе почва - растение в условиях агроценозов | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2014. № 3 (27).

Изменение содержания галогенов в системе почва - растение в условиях агроценозов

Проведенные исследования свидетельствуют о важной роли оптимизации минерального питания растений с целью получения высоких устойчивых урожаев. Регулярное длительное использование минеральных удобрений (NPK) оказывает влияние на содержание галогенов в системе почва - растение. Постоянное внесение суперфосфата привело к некоторому накоплению фтора в верхней части профиля почвы без повышения ПДК, а хлорида калия - к очень незначительному накоплению хлора, что обусловлено химическими свойствами этого аниона. Концентрация галогенов в ботве картофеля была выше, чем в клубнях. Это свидетельствует о том, что в зеленой массе растений галогены аккумулируются активней, чем в продуктивной части.

Halogen content modification in the soil-plant system under agrocenosis conditions.pdf Введение Изучение действия минеральных удобрений на компоненты системы почва - растение в агроценозе представляет значительный интерес с позиций почвоведения, агрохимии и экологии. Мировой опыт земледелия показывает, что на долю удобрений приходится не менее трети прибавки урожаев сельскохозяйственных культур [1] и получение стабильно высоких урожаев без использования удобрений невозможно. Однако действие удобрений на почву и растения носит двойственный характер: на положительный эффект от внесения удобрений накладывается негатив из-за присутствия в них в виде примесей различных сопутствующих химических элементов, в том числе и галогенов. Галогены являются необходимыми элементами для нормальной жизнедеятельности человека, животных и большинства растений, но чрезмерное увеличение их концентраций в почвах и растениях может представлять экологическую опасность [2]. В ряде проведенных исследований было изучено накопление хлора и фтора в почвах и выращиваемых культурах в связи с использованием минеральных удобрений и мелиорантов [3-6]. При этом полученные результаты носят зачастую противоречивый характер, а установленные в одном регионе закономерности накопления и распределения галогенов в агроценозах не подтверждаются в другом. В этой связи выявление региональной специфики влияния длительного применения минеральных удобрений на фонд галогенов в агроценозах имеет важное агрохимическое и экологическое значение. Несмотря на актуальность подобных исследований для почвоведения, агрохимии и экологии, данная тематика в почвенно-климатических условиях Западной Сибири изучена недостаточно, что и обусловило необходимость проведения наших исследований, цель которых - изучить изменения содержания галогенов в системе почва - растение в условиях агроценоза при длительном применении минеральных удобрений. Материалы и методики исследования Объектом исследования являлась система почва - растение действующего более четверти века многолетнего полевого опыта, расположенного в лесостепной зоне юга Западной Сибири. Опыт был заложен в 1988 г. на целинной серой лесной почве со следующими характеристиками (слой 0-20 см): содержание гумуса - 4,9%, физической глины - 30,8%, емкость катионного обмена - 21,1 мг-экв./100 г; валовое содержание азота - 0,22%, фосфора -0,15 (подвижного - 18 мг/100 г), калия - 1,5% (обменного - 12 мг/100 г); почвообразующая порода - лессовидный карбонатный суглинок. Закладку и проведение опыта осуществляли по общепринятой методике [7]; повтор-ность в опытах четырехкратная. Первые годы выращивали овощные культуры в севообороте [8], а с 2000 г. - картофель. Схема опыта, ежегодные дозы минеральных удобрений под картофель и урожайность клубней за последние годы приведены в табл. 1. Удобрения в форме аммиачной селитры, двойного суперфосфата и хлористого калия вносили ежегодно весной перед посадкой клубней. Осенью 2013 г. (в период уборки урожая) с рассматриваемых вариантов опыта почвенным буром были отобраны образцы почвы из различных слоев до глубины 1 м (0-20, 20-40, 40-60, 60-80 и 80-100 см); с соответствующих делянок также были отобраны образцы растительной продукции - клубни и ботва картофеля. В почвенных образцах содержание подвижных (водорастворимых) форм галогенов определяли следующими методами: фтор - на потенциометре, хлор - по Мору, йод - кинетическим роданидно-нитритным методом [9]. В растительных образцах содержание галогенов определяли: фтор - спек-трофотометрически с ализаринкомплексоном после сухого озоления [10], хлор - по методу Фольгарда, йод - по [9]. Включение в исследование йодид-аниона обусловлено наличием общих черт в геохимии йода и легкорастворимого KCl. Аккумуляция подобных солей в почве часто приводит к накоплению и йода [11]. Неодинаковая способность органов культурных растений концентрировать химические элементы обусловила необходимость проведения раздельного анализа галогенов в клубнях и ботве картофеля. Результаты исследования и обсуждение Полученные в опыте результаты (см. табл. 1) свидетельствуют о без-альтернативности использования минеральных удобрений для обеспечения высокой продуктивности агроценозов. В различные по гидротермическим условиям годы наивысшая урожайность картофеля в опыте стабильно отмечалась в вариантах со сбалансированными дозами удобрений, тогда как в контрольном и фоновом вариантах растения явно не могли реализовать свои потенциальные возможности. Между урожаем клубней и урожайностью надземной биомассы (ботвы) отмечалась прямо пропорциональная зависимость с достаточно тесной корреляционной связью (r = 0,8-0,9). Однако ботва картофеля в вариантах опыта с оптимизированным минеральным питанием (NPK3-5) обеспечивала более интенсивный и эффективный продукционный процесс растений по сравнению с контрольным и фоновым вариантами. Так, соотношение клубни:ботва в вариантах опыта «без удобрений» и NP было 2,1-2,3, тогда как при внесении NPK3-5 оно составляло 2,8-3,4, т.е. на единицу надземной биомассы формировался больший урожай клубней. Т а б л и ц а 1 / T a b l e 1 Схема полевого опыта, дозы минеральных удобрений и урожайность картофеля в опыте / Scheme of field experience, doses of fertilizers and potato yield in the experiment Вариант опыта / Variant of the experiment Дозь Doses ing [, кг д.в./га / , kg of active redient/ha Урожай клубней, ц/га / Potato yield, dt/ha N P2O5 K2O 2009 2010 2011 2012 2013 Среднее/ Average Без удобрений / Without fertilizers - - 78 62 81 84 95 80 NP (фон) (background) 100 60 - 125 78 95 80 172 110 NPK1 100 60 30 203 135 178 92 180 162 NPK2 100 60 60 291 182 239 133 302 233 NPK3 100 60 90 298 187 253 144 310 243 NPK4 100 60 120 309 187 274 148 306 249 NPK5 100 60 150 342 202 312 162 312 270 НСР 05 32 23 24 22 35 Функционирование циклов различных галогенов в почве в немалой степени зависит от ряда почвенных параметров (гумус, полуторные оксиды и др.), являющихся геохимическими барьерами для этих элементов. Проведенные ранее исследования [12] показали, что при сельскохозяйственном использовании исследуемой почвы содержание гумуса в верхнем горизонте (0-20 см) снизилось в целом по опыту примерно на 20-22% (по сравнению с целиной), однако в вариантах NPK содержание гумуса было несколько выше, чем в контрольном и фоновом вариантах, очевидно, за счет более интенсивного поступления в почву растительных остатков. Содержание обменных катионов (Ca, Mg) в почве агроценоза снизилось на 10-20% относительно целины, вероятно, за счет выщелачивания и выноса выращиваемыми культурами. Длительное внесение минеральных удобрений привело к небольшому подкислению почвы. Отмеченные изменения почвенных характеристик могли определенным образом повлиять на трансформацию форм галогенов в исследуемой почве, хотя, разумеется, главным фактором являлось длительное внесение достаточно высоких доз минеральных удобрений (см. табл. 1), что закономерно отразилось на содержании галогенов в почвенном профиле. Различная химическая активность галогенов, специфика процессов их адсорбции-десорбции, наряду с отмеченными факторами, обусловили особенности распределения этих элементов в почве агроценоза. В почвенных процессах и питании растений наиболее активное участие принимают мобильные формы галогенов (водорастворимая, обменная и специфически сорбированная). И хотя их доля в целом в почвах невелика, мы акцентировали свое внимание на изучении водорастворимых форм фтора, хлора и йода как наиболее доступных растениям. Систематическое внесение удобрений в течение длительного времени не привело к увеличению содержания водорастворимого фтора до критического уровня по всему профилю почвы до глубины 100 см (рис. 1) на всех вариантах опыта. ПДК водорастворимого фтора в почве равен 10 мг/кг. Изменение наблюдалось преимущественно в интервале от 0,86 до 4,71 мг/кг. Незначительная аккумуляция фторид-аниона в верхней части почвенного профиля на вариантах с внесением удобрений, в отличие от варианта без удобрений, также заметно ниже ПДК. Подобное поведение водорастворимого фтора обусловлено различными трансформациями, происходящими с ним в почве, что выражается в усилении активности процесса сорбции фторид-аниона на поверхности минеральных частиц, чему благоприятствует небольшое утяжеление гранулометрического состава вниз по почвенному профилю. Кроме того, фторид-анион легко замещает гидроксильные группы в минералах ввиду сходства их ионных радиусов (равного 1,33А); как следствие, становится возможным внедрение F" в межплоскостное пространство глинистых минералов. Ионный радиус F" также очень близок к радиусу кислорода O-2 (от 1,32 до 1,40 А по разным данным), что способствует их взаимозамещению в кристаллических решетках апатита, слюд и других минералов и соответственно несколько увеличивает вероятность его связывания. Установлено, что фторид-анион в сравнении с другими галогенид-ани-онами характеризуется большей склонностью к образованию комплексных соединений, устойчивость которых понижается в ряду F > Cl > Br > I, поэтому многие фторидные комплексы устойчивы, не гидролизуются и слабо диссоциируют. Входя в состав комплексных ионов, например тетрафторбо-ратного [BFJ" или гексафторсиликатного [SiF6]2, фтор теряет свое негативное воздействие на окружающую среду, так как приобретает свойства уже комплексного аниона, что, по нашему мнению, можно считать положительным фактором с точки зрения экологии. Глубина, см -•-Контроль -Фон -■- NPK1 ХРК2 -^NPK3 -- NPK4 -- NPK5 Рис. 1. Изменение содержания в почве водорастворимой формы фтора в вариантах эксперимента в зависимости от глубины / Fig. 1. Modification of content of water-soluble fluorine form in the soil in the experimental variants (on the ordinate axis - Content of fluorine (mg/kg); on the abscissa axis - Depth, cm) Доминирование содержания обменного кальция и магния в исследуемой серой лесной почве над количеством водорастворимого фтора способствует связыванию поступающего из удобрений фтора в виде труднорастворимых флюорита CaF2 и селлаита MgF2. Данные соединения благоприятствуют ускорению образования кальциевого геохимического барьера, препятствующего загрязнению фтором как почв, так и растений, тем более что кальций -один из компонентов суперфосфата. Следует учитывать и деятельность корневой системы растений в процессе их роста и развития, способствующей некоторому перемещению фторид-аниона в профиле почвы. Распределение хлора в почвенном профиле изученных вариантов опыта довольно равномерное (рис. 2). Интервал изменения содержания водорастворимого хлора в целом невелик (12,1-15,2 мг/кг), несмотря на довольно широкий диапазон доз вносимого хлористого калия. Подобные данные о присутствии водорастворимой формы хлора в почве без строго определенной зависимости от дозы удобрений (KCl) отмечались ранее в опытах на черноземе выщелоченном [13]. 16 п 40-60 3 Глубина, см -Фон -NPK1 NPK4 -Н NPK5 80-100 5 ->-Контроль -*-NPK3 -NPK2 Рис. 2. Изменение содержания в почве водорастворимой формы хлора в вариантах эксперимента в зависимости от глубины / Fig. 2. Modification of content of water-soluble chlorine form in the soil in the experimental variants (on the ordinate axis - Content of fluorine (mg/kg); on the abscissa axis - Depth, cm) Вместе с тем необходимо отметить, что различие в концентрации хлорид-аниона на вариантах с внесением хлорида калия примерно на 2-3 мг/кг по сравнению с вариантом без удобрений в нашем исследовании все же имеется. Это свидетельствует о влиянии систематического внесения хлорсодержащего удобрения на почвенный фонд хлора. Следует сказать, что в сухой год (2012 г) содержание хлора в почве было на 5-10% выше, чем во влажный (2013 г.). Такое поведение хлора в почве связано со слабым его поглощением почвой и обусловлено отсутствием образования его нерастворимых солей с катионами почвенного раствора и притяжения почвенными коллоидами из-за одинакового заряда [14]. Кроме того, анион СГ менее подвержен окислению в условиях земной поверхности. Установлено, что эффективных геохимических барьеров, на которых возможна аккумуляция хлора, подобно тому, как для фтора существует кальциевый барьер, для йода - биогеохимический (накопление в верхнем гумусовом горизонте почв), для него в почве не существует. Более того, хлорид-анион свободно мигрирует в почвенном профиле вследствие значительной растворимости большинства его солей, что позволяет говорить и о роли поверхностного и бокового внутрипочвенного стоков. Влияние данных стоков, способствующих удалению хлора во время снеготаяния в почве с периодически промывным типом водного режима, отмечено в [5]. По обобщенным литературным данным, низкие концентрации водорастворимого йода в почвах разных регионов делают проблематичным установление закономерностей в его распределении, что подтверждается и нашими аналитическими данными (рис. 3). Изменения в содержании йодид-аниона очень незначительны как по абсолютной величине, так и по интервалу (от ± 0,001 до ± 0,003 мг/кг). 0-20 20-40 _ _ 40-60 _ 60-80 80-100 -

Ключевые слова

halogen, plant, soil, agrocenosis, галогены, растения, почва, агроценоз

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Якименко Владимир НиколаевичИнститут почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)д-р биол. наук, доцент, в.н.с. лаборатории агрохимииyakimenko@issa.nsc.ru
Конарбаева Галина АкмуллдиновнаИнститут почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)д-р биол. наук, с.н.с., в.н.с. лаборатории биогеохимии почвkonarbaeva@issa.nsc.ru
Всего: 2

Ссылки

Ковальский В.В. Биологическая роль йода // Научные труды ВАСХНИЛ. М. : Колос, 1972. С. 3-32.
Ковальский В.В., Раецкая Ю.И., Грачева Т.И. Микроэлементы в растениях и кормах // Научные труды ВАСХНИЛ. М. : Колос, 1971. 235 с.
Каррер П. Курс органической химии. Л. : Госхимиздат, 1960. 1216.
Ильин В.Б. Тяжелые металлы и неметаллы в системе почва - растение. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2012. 218 с.
Физиология картофеля / под ред. Б.А. Рубина. М. : Колос, 1979. 272 с.
Кларксон Д. Транспорт ионов и структура растительной клетки. М. : Мир, 1978. 365 с.
Сатклиф Д.Ф. Поглощение минеральных солей растениями. М. : Мир, 1964. 221 с.
Пинский Д.Л. Ионообменные процессы в почвах. Пущино : Ин-т почвоведения и фотосинтеза РАН, 1997. 166 с.
Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам. М. : Мир, 1980. 662 с.
Алексеева Е.Н., Кулакова В.П. Поступление хлора в растения в зависимости от длительного применения удобрений на выщелоченном черноземе // Агрохимия. 1973. № 7. С. 84-90.
Горбунов Н.И. Минералогия и физическая химия почв. М. : Наука, 1978. 293 с.
Belcher R., Leonard M.A., West T.S. The preparation and analytical properties of NN-Di /carboxymethil/aminomethil derivatives of some hydroxyanthquinones // J. Chem. Soc. 1958. Р. 2390-2400.
Ковда В.А., Якушевская И.В., Тюрюканов А.Н. Микроэлементы в почвах Советского Союза. М. : Изд-во МГУ, 1959. 67 с.
Якименко В.Н. Плодородие серой лесной почвы при длительном использовании // Земледелие. 2012. № 6. С. 21-23.
Конарбаева Г.А. Галогены в почвах юга Западной Сибири. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2004. 200 с.
Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М. : Агропромиздат, 1985. 351 с.
Якименко В.Н. Калий в агроценозах Западной Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. 231 с.
Проскурякова Г.Ф., Никитина О.Н. Ускоренный вариант кинетического роданиднонитритного метода определения микроколичеств йода в биологических объектах // Агрохимия. 1976. № 7. С. 140-143.
Назарюк В.М., Маслова И.Я. Изучение возможности систематического использования хлорсодержащих калийных удобрений в овощеводстве Западной Сибири // Агрохимия. 1990. № 7. С. 45-52.
Прокошев В.В., Дерюгин И.П. Калий и калийные удобрения. М. : Ледум, 2000. 184 с.
Танделов Ю.П. Фтор в системе почва - растение. М. : Россельхозакадемия, 2004. 106 с.
Шеуджен А.Х. Биогеохимия. Майкоп : Адыгея, 2003. 1028 с.
Минеев В.Г., Бычкова Л.А. Состояние и перспективы применения минеральных удо брений в мировом и отечественном земледелии //Агрохимия. 2003. № 8. С. 5-12.
 Изменение содержания галогенов в системе почва - растение в условиях агроценозов | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2014. № 3 (27).

Изменение содержания галогенов в системе почва - растение в условиях агроценозов | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2014. № 3 (27).