CC BY
55
УДК 631.41
БО! 10.34677/0021-342х-2019-4-19-31
Известия ТСХА, выпуск 4, 2019
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ
В.И. САВИЧ1, С.Н. СМАРЫГИН1, В.В. ГУКАЛОВ2, В.А. РАСКАТОВ1 А.М. ПОЛЯКОВ1
(1 РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2 Северо-Кубанская сельскохозяйственная опытная станция)
В статье рассмотрены вопросы оценки окислительно-восстановительных свойств почв системой методов титрования окислителями и восстановителями, потенциостатической ку-лонометрии на электродах из почвенно-угольной пасты. Дополнительную оценку окислительно-восстановительного состояния почв дает определение антирадикальной активности почвенных растворов и содержания в них антиоксидантов, углекислого газа и кислорода; содержания в почве положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений катионов, аэроионов; оценка энергетического состояния почв с использованием метода газоразрядной визуализации.
Показано увеличение количества восстановленных веществ при избыточном увлажнении почв и с повышением степени гумусированности. Показана целесообразность оценки окислительно-восстановительной буферной емкости почв. Предлагается ее математическое описание с использованием 15 уравнений парной корреляции. В интервале рН от 3 до 10 величина АЕН/АрНсоставляла в дерново-подзолистой почве - 62,2; в серой лесной почве - 43,9.
Проведенными исследованиями показана необходимость для характеристики окислительно-восстановительного состояния почв оценивать ЕЙ в прикорневой зоне растений. Показано, что растения, приспособленные к условиям анаэробиозиса, в большей степени регулируют ЕЙ в прикорневой зоне и селективность поглощения отдельных элементов.
Установлено, что для оптимизации свойств почв и системы почва-растение целесообразно совместное регулирование ЕЙ почв, инактивация токсикантов, появляющихся при анаэробиозисе, введение в растения микроэлементов, являющихся составной частью окислительно-восстановительных ферментов растений.
Доказывается, что для наиболее полной оценки окислительно-восстановительного состояния почв необходима совместная интерпретация окислительно-восстановительных свойств, процессов и режимов при разработке моделей оптимального окислительно-восстановительного состояния почв для выполнения ими различных экологических функций.
Ключевые слова: окислительно-восстановительное состояние, почва, растение, регулирование, буферная емкость.
Введение
Оценка окислительно-восстановительного состояния в системе почва-растение имеет большое агроэкологическое значение. В литературе принято определение Е^ гН2 и параметров почв, с ними взаимосвязанных [1, 10]. Ряд авторов предлагает оценивать дополнительно не только окислительно-восстановительные свойства, но также ОВ процессы и режимы [1, 5, 8].
С нашей точки зрения, для полной оценки окислительно-восстановительных свойств почв необходимо определение фракционного состава окислительно-восстановительных систем методами титрования окислителями и восстановителями, методом потенциостатической кулонометрии на электродах из почвенно-угольной пасты.
Дополнительную оценку окислительно-восстановительного состояния почв дает определение антирадикальной активности почвенных растворов и содержания
в них антиоксидантов, углекислого газа и кислорода; содержания в почве положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений катионов, аэроионов; оценка энергетического состояния почв с использованием метода газоразрядной визуализации.
Важное практическое значение имеет оценка изменения свойств почв на единицу изменения Еh и рН. Это позволяет рассчитывать пути оптимизации обстановки и способы повышения плодородия почв.
Для оптимизации свойств почв и системы почва-растение целесообразно совместное регулирование Еh почв, инактивация токсикантов, появляющихся при ана-эробиозисе, введение в растения микроэлементов, являющихся составной частью окислительно-восстановительных ферментов растений.
Это подтверждают полученные нами экспериментальные материалы.
Методика исследования
Объектом исследования выбраны дерново-подзолистые, серые лесные, каштановые почвы, черноземы [2, 3, 10].
Исследовались дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы Московской области хозяйства «Михайловское», опыт кафедры растениеводства МСХА, развитые на покровных суглинках - слабоокультуренные и хорошо окультуренные с внесением удобрений из расчета использования растениями 3% ФАР. При этом рН(КС1) данных почв соответственно 4,3 и 5,9; содержание гумуса - 1,4 и 2,2%, S -10,9 и 17,0 мг-экв/100 г, подвижный фосфор по Кирсанову - 3,3 и 30,0 мг/100 г почв, обменный калий - 6,0 и 18,0 мг/100 г почв.
Образцы серой лесной почвы взяты из учхоза «Дружба» Ярославской области. Почва серая лесная среднесуглинистая на покровных отложениях. рН(КС1) - 5,5, S -15,0 мг-экв/100 г, содержание гумуса - 3.1%.
Образцы тяжелосуглинистого выщелоченного чернозема взяты со стационара Всероссийского научно-исследовательского института садоводства им. И.В. Мичурина и имели содержание гумуса - 4,5%, рН(КС1) - 5,7, содержание подвижного фосфора - 25 мг/100 г, обменного калия - 30 мг/100 г.
Светло-каштановые почвы взяты в Кустанайской области Казахстана и характеризуются рН(вод) - 7,5-7,7, содержание гумуса - 1,9%, емкость поглощения -9 мг-экв/100 г.
Методика исследования состояла в оценке агрохимических и физико-химических свойств почв общепринятыми методами [2, 7, 11], в оценке фракционного состава окислительно-восстановительных систем, буферной емкости почв в окислительно-восстановительном интервале методом потенциостатической кулонометрии, в определении положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений при статистической обработке полученных данных, в постановке модельных опытов по оценке изменения свойств почв в условиях избыточного увлажнения [2, 3, 4, 6, 7, 9].
Результаты и их обсуждение
По полученным нами данным, окислительно-восстановительное состояние почв обусловлено окислительно-восстановительными свойствами почв, протекающими окислительно-восстановительными процессами и режимами - закономерным изменением свойств и процессов во времени и в пространстве.
1. Окислительно-восстановительные свойства характеризуются Е^ ре, гН2, фракционным составом окислительно-восстановительных систем, окислительно-восстановительной емкостью почв.
По полученным нами данным, окислительно-восстановительная (ОВ) емкость почв, определенная методом потенциостатической кулонометрии на электродах из почвенно-угольной пасты, была выше в черноземно-луговой почве и ниже - в дерново-подзолистой почве. Это иллюстрируют данные таблицы 1.
Таблица 1
Окислительно-восстановительная емкость почв, определенная методом потенциостатической кулонометрии на электродах из почвенно-угольной пасты в фоновом электролите КИ
Почва Количество соединений мг-экв/100 г почвы
восстанавливающихся при окисляющихся при
-0,3 в 0,0 в +0,7 в +1,0 в
дерново-подзолистая 0,60 0,30 0,10 0,20
чернозем выщелоченный 1,10 0,50 0,20 0,70
черноземно-луговая 1,20 0,80 0,40 1,90
При этом окисление и восстановление происходило в отдельных типах почв с разной скоростью.
Так, соотношение компонентов почвенно-поглощающего комплекса (ППК), восстанавливающихся за время 5 минут и 30 минут в дерново-подзолистой почве при Еh = 200 мв было 0,52, в черноземе - 0,68. Соотношение окисляющихся при +500 мв веществ за время 5 и 30 минут составляло в дерново-подзолистой почве 0,56, в черноземе - 0,50.
Содержание антиоксидантов (в мкг/г в пересчете на кверцетин) составляло в почвенных растворах дерново-подзолистой почвы разреза 2 оптимального увлажнения 2,88, а в почве избыточного увлажнения - 5,45; в почве разреза 3 - соответственно 0,09 и 8,04; в черноземе обыкновенном - 0,84 и 2,26; в лугово-черноземной почве - соответственно 2,74 и 6,09.
Антирадикальная активность (в мкг/г в пересчете на аскорбиновую кислоту) составляла в почвенных растворах чернозема выщелоченного оптимального увлажнения 2,05; избыточного увлажнения - 13,5; в почвенных растворах чернозема обыкновенного - соответственно 1,54 и 8,82; в лугово-черноземной деградированной почве - соответственно 2,2 и 2,9.
Фракционный состав окислительно-восстановительных систем почв хорошо идентифицируется и при титровании их окислителями и восстановителями. Это иллюстрируется данными таблицы 2. Как видно из представленных данных, при избыточной влажности почв увеличивается количество окисляемых веществ и уменьшается количество восстанавливаемых.
Важным параметром окислительно-восстановительного состояния почв является окислительно-восстановительная буферная емкость почв.
Изменение Еh почв при добавлении к почве окислителя или восстановителя
Пов = dOx/dEh; Пов = dRed/dEh, где Ох и Red - количество добавленных мг-экв/100 г окислителя и восстановителя.
Так, например, по полученным данным, при титровании дерново-подзолистых почв К2Сг207 (X): ПОВ = 20,7 + 18,9Х; г = 0,99; для светло-каштановой почвы: ПОВ = 0,2 + 1,9Х; г = 0,99; для каштановой почвы: ПОВ = 2,9 + 4,7Х; г = 0,99.
Фракционный состав ОВ систем чернозема, компостированного при различной степени увлажнения
Фракции Содержание фракций в % от суммы
чернозем сухой чернозем при избыточной влажности
окисляемые КМпО4 0,5н в 1,0н H2S04 при 600 4,0 17,8
I 44,4 59,4
восстанавливаемые 1н SnCl2 в 1,0н HCl при 200 43,6 30,3
I 55,6 40,6
Буферная емкость отличается в окислительном и восстановительном интервалах. Это иллюстрируют данные следующей таблицы.
Таблица 3
Окислительно-восстановительная буферная емкость почв, компостированных 30 дней в условиях избыточного увлажнения
Почва Уравнение парной корреляции R
светло-каштановая + К2Сг2О7 светло-каштановая + SnC12 Пов = 0,2 +1,9Х Пов = 2,6Х1/2 о о 9 9 CD CD
* Х - количество добавленных К2Сг2О7 и SnС12 мг-экв/100 г почв
Фракционный состав окислительно-восстановительных систем в почве определяет устойчивость почв к затоплению и развитию оглеения, к появлению в почвах токсичных соединений, обусловленных анаэробиозисом.
2. Окислительно-восстановительные процессы в почвах сопровождаются изменением практически всех свойств почв.
С изменением окислительно-восстановительного состояния почв меняется состояние и подвижность катионов и анионов в почве. По полученным данным, изменение Fе2О3/FеО совпадает по времени с изменением Еh и опережает изменение NО3/NН4. С увеличением степени окисленности уменьшается отношение подвижных форм железа и марганца, т.к. соединения железа в почве переходят в восстановленное состояние (что значительно увеличивает их растворимость) при более низком значении потенциала, чем соединения марганца. При этом при избыточном увлажнении почв существенно увеличивается содержание подвижных соединений Fе, Мп, А1, что является одной из причин гибели растений в данных условиях. Увеличение при избыточном увлажнении почв содержания подвижного железа (определяемого методом химической автографии на основе электролиза) иллюстрируют данные следующей таблицы.
Полученные нами результаты говорят и о возможности передвижения ионов во влажных почвах ненарушенного состояния при напряжении всего 1,0-0,5 в, что может наблюдаться в естественных условиях.
Избыточное увлажнение почв приводит и к изменению соотношения подвижных катионов в почвах, что важно знать при корректировке системы удобрений на почвах разной степени гидроморфности и в зависимости от погодных условий. Это иллюстрируют данные следующей таблицы 5.
Содержание подвижных соединений железа в дерново-подзолистой хорошо окультуренной почве, мкг/см
Влажность Напряжение 5 в, время 1 мин. Напряжение 75 в, время 1 мин. Напряжение 75 в, время 30 мин.
- + - + - +
оптимальная избыточная 1,58±0,25 2,06±0,09 1,08±0,04 2.08±0,09 68 о о сэсэ +1 +1 СП I-*- 1,05±0,07 2,35±0,11 2,54±0,84 2.21±0.08 1,07±0,06 2.47±0,08
Как видно из представленных данных, избыточное увлажнение почв приводит к увеличению подвижности железа и марганца и уменьшению подвижности кальция и магния. При этом увеличивается отношение подвижных Са/Мg и Fе/Мn. В нижеследующей таблице 6 приведены данные об изменении подвижности ионов при избыточном увлажнении исследуемых почв разной степени удобренности.
Таблица 5
Соотношение катионов в почвах, компостировавшихся при оптимальном и избыточном увлажнении, п = 16, мг/л
Почва Вариант увлажнения Са/Мд Fе/Мn
дерново-подзолистая, контроль дерново-подзолистая хорошо окультуренная оптимальное избыточное оптимальное избыточное 131,6 ± 23,3 24 55.3 ± 8,6 2,4 36,2 ± 3,3 47 7,7 ± 0,8 4,7 145,6 ± 15,7 _ 22 65,6 ± 3,1 2,2 64.4 ± 6,7 _ 28 22,8 ± 1,7 2,8 0,02 _ 0 002 8,56 ± 3,1 0,002 0,16 ± 0,02 _ 0 01 10,40 ± 1,3 0,01 0,02 _ п 3,2 ± 1,7 _ °,°06 0,11 ± 0,01 _ 003 4,20 ± 0,8 0,03
Таблица 6
Изменение состояния соединений ионов в дерново-подзолистых почвах при развитии анаэробиозиса (время - 10 дней), мг/л
Почва Увлажнение рн ЕЬ| мв по ХСЭ Fе * Мп *
ДП20К3 60% ПВ 7,4 146 3,0 21,9
100% ПВ 8,6 115 5,8 25,1
ДП2ОК1 60% ПВ 6,1 120 9,2 24,6
100% ПВ 7,5 100 15,3 26,3
* ОК - слабоокультуренная, ОК3 - хорошо окультуренная
* вытеснение мембраной МА-ЭДТА
Изменение Еh сопровождается изменением содержания в почве подвижных соединений, что имеет важное агрономическое значение (табл. 7).
3. Важное агрономическое значение имеет скорость изменения Еh при затоплении почв, величины ДЕЫДрН в разных интервалах рН; ДЕЫД^ ДЕЬ/Д^. При этом, с практической точки зрения, необходимо знание ДХ/ДЕ^ где Х - содержание подвижных соединений железа, алюминия, марганца, серы, азота, фосфатов и других элементов. Эти показатели меняются в сезонной динамике, что описывается петлей
гистерезиса. При этом степень разомкнутости петли характеризует нестационарность состояния почв и тренд их эволюции.
Таблица 7
Изменение рNОз при избыточном увлажнении почв
Почва Увлажнение рNОз = - ^О3, моль/л
начальная через 6 дней
дерново-подзолистая оптимальное 2,3 2,3
избыточное 2,5 2.5
чернозем оптимальное 1,7 1,7
избыточное 2,9 4,8
Как известно, с повышением рН величина Еh уменьшается. Однако эта зависимость является характерной для отдельных почв. В интервале рН от 3 до 10 величина АЕЬ/АрН составляла в дерново-подзолистой - 65,2; в серой лесной - 43,9; в черноземе - 48,0. Однако эти показатели отличались и для почв одного типа, но разного гранулометрического и минералогического состава. Так, для серой лесной почвы учхоза «Дружба» Еh = 540,1-40,9рН; г = -0,99; для серой лесной почвы Каширского стационара Еh = 622,5-52,4рН; г = -0,98.
Как видно из представленных данных, величина АЕЬ/АрН неодинакова в разных типах почв и для отдельных типов почв отличается в различных интервалах рН. Полученные данные свидетельствуют об условности вычисления общепринятых показателей напряженности окислительно-восстановительных процессов в почвах: гН2 = ЕЬ/30 + 2рН.
Более правильно, с нашей точки зрения, вычислять ЕЬ на стандартное значение рН: ЕЬ(рН=65) = ЕЬ1 - АЕЬ/АрН, где АрН = рН1 - рН65 при рН1 в исходной почве.
С агрономической точки зрения это необходимо учитывать при прогнозе изменения ЕЬ и подвижности Fe, Мп, Си, Сг при известковании.
4. С агрономической точки зрения важное значение имеет скорость изменения ЕЬ при затоплении. Это определяет и скорость появления в почве токсичных соединений Fе2+, Мп2+, Н^ и т.д. Эта величина также является характерной для отдельных типов почв, что иллюстрируется данными следующей таблицы.
Таблица 8
Скорость изменения Еh при затоплении почв
Почва ДЕЬ:^ ЕЬ| мв по ХСЭ через 45 дней
чернозем типичный чернозем выщелоченный -13,8 -17,2 95 -82
5. В почвах присутствуют зоны окисления и восстановления, представленные как внешними и внутренними слоями структурных отдельностей, так и микрозонами органических и минеральных удобрений, ходами корней, затеками в почвенном профиле гумуса, кремнезема и т.д. Очевидно, что от зон окисления и восстановления протекающие там процессы будут распространяться по вертикали и горизонтали.
Проведенные исследования показали наличие в почвах фронта распространения окисления, восстановления. Пример этого явления при внесении в почву КМпО4 приведен в следующей таблице (1 ряд - зона внесения окислителя, 2, 3 ряды - на разном удалении от зоны внесения окислителя).
Таблица 9
Волновое распространение окисления в исследуемых почвах (п = 8)
Почва Увлажнение Ряд ЕЬ| мв по ХСЭ
дерново-подзолистая оптимальное 1 355,0±54,2
хорошо окультуренная 2 276,2±33,7
3 256,2±30,2
— « - избыточное 1 260,0±15,3
2 232,5±18,6
3 147,5±15,8
Как видно из представленных данных, окислительно-восстановительный потенциал выше при оптимальном увлажнении почв. Его величина уменьшается с удалением от зоны внесения окислителя. Почвы избыточного увлажнения имеют большую буферность к окислению, поэтому в них величины Еh ниже.
6. Окислительно-восстановительное состояние почв отличается в почвенных растворах и в поверхностных водах, в основной массе почвы и в прикорневой зоне растений. Это иллюстрируют данные следующей таблицы.
Таблица 10
Изменение Еh при компостировании почв в условиях избыточной влажности (Еh мв по ХСЭ, время - 14 дней)
Почва В воде 1-3 см от поверхности Около дна ДЕЬ|, мв
дерново-подзолистая хорошо окультуренная слабо окультуренная хорошо окультуренная с высокой дозой удобрений 195 88 90 285 135 -115 --со со со СП СП СП 035 со С\| 00 422
Как видно из представленных данных, окислительно-восстановительный потенциал в воде значительно выше, чем в слое почвы на глубине 1-3 см от поверхности и особенно в слое почвы около дна сосуда. Глубина проникновения в почву окисления, как и скорость распространения потенциала, неодинаковы в различных почвах и определяются окислительно-восстановительной буферной емкостью. На хорошо окультуренной почве в связи с большой гумусированностью и микробиологической активностью больше расход кислорода при затоплении почв и соответственно отмечается более низкая величина Еh на дне сосуда (что будет наблюдаться в нижних горизонтах почв). Влияние дозы минеральных удобрений на ОВП зависит от формы удобрений или окисленных N0^ или восстановленных NН4 и от рН (при подкисле-нии почв за счет физиологически кислых удобрений - (КН4)^04 или подщелачива-ния почв за счет физиологически щелочных удобрений - NаN03.
Окислительно-восстановительное состояние почв изменяется в прикорневой зоне растений. Растения в определенной степени адаптируются к восстановительным условиям, подкисляя почву в прикорневой зоне, выделяя в нее кислород, осаждая железо, марганец, алюминий в прикорневом чехле и внутри стебля в аэренхиме [1, 7]. Так, по полученным нами данным, Еh раствора дерново-подзолистой почвы, контактирующего с корнями растений в течение 5 дней, составляет у картофеля 50 мв, а у таволги, приспособленной к анаэробиозису 153 мв. Растения, приспособленные к анаэробиозису, имели большую долю отрицательного заряда на корнях
и поглощали больше К+, по сравнению с N0^. Отношение К/КО3 ммоль/100 г корней составляло для картофеля 0,27; а для таволги 0,52. При этом в прикорневой зоне растений при избыточном увлажнении изменялось отношение положительно и отрицательно заряженных соединений, определенных методом химической автографии на основе электролиза [4]. Так, под таволгой в дерново-подзолистой почве отношение положительно заряженных комплексов Fе/Мn при оптимальной влажности было 14,1; при избыточной - 21,6. Отношение отрицательно заряженных соединений соответственно 1,4 и 0,2. Под картофелем отношение Fе/Мn положительно заряженных комплексов было при оптимальном увлажнении 14,3; при избыточном - 30,0. Отношение отрицательно заряженных соединений соответственно 0,6 и 0,1.
Избыточное увлажнение почв приводит к угнетению большинства сельскохозяйственных культур. Это определяет величину риска падения урожая при неблагоприятных погодных условиях. По полученным нами данным [9], этот показатель больше на почвах слабоокультуренных, по сравнению с хорошо окультуренными, и больше для картофеля, озимой пшеницы, по сравнению с многолетними травами. Так, для дерново-подзолистых почв Московской области риск уменьшения отчуждения фитомассы пшеницы с поля (млн ккал/га) при избыточном увлажнении для слабоокультуренной почвы составлял 99%, для хорошо окультуренной - 97,4%, для трав 2-го года пользования соответственно 76,6 и 67,4%.
Риск уменьшения поступления энергии в почву с пожнивными остатками пшеницы составлял для слабоокультуренной почвы 92,2%, для хорошо окультуренной с внесением удобрений - 94,3%; для многолетних трав 2-го года соответственно 51,6 и 39,6%.
7. Избыточное увлажнение почв влияет и на процессы метаболизма в растениях, развивающихся на оглеенных почвах. Это иллюстрируют данные следующей таблицы.
Таблица 11
Содержание катионов в продуктах транспирации из листьев яблонь, развивающихся на дерново-подзолистых почвах разной степени гидроморфности,
мг/л
Состояние растений и почв Са Fe 1У1П Zn K
хорошее состояние на автоморфной почве; гибнущее дерево на оглеенной почве 20,1 11,0 т- г- со со 0,4 0,8 0,04 0,08 0,05 0,92 15,1 27,6
Как видно из представленных данных, в продуктах транспирации из листьев яблонь, развивающихся на оглеенной почве, меньше Са, но значительно больше Fе, Мп, К.
При поступлении элементов в растения протекают процессы конкурирующего комплексообразования аддендов и лигандов, процессов метаболизма поступающих в корень соединений. Очевидно, существуют и процессы конкурирующего окисления и восстановления.
8. В выполненных работах показана целесообразность регулирования окислительно-восстановительных процессов в системе почва-растение, целесообразность оценки оксидантов и антиоксидантов, антирадикальной активности, содержания аэроионов, содержания С02 в межклетниках [9].
Проведенные исследования подтвердили полученные ранее результаты, доказывающие, что повышение Еh в микрозонах и улучшение развития растений при оглеении может быть достигнуто внесением в почву регуляторов ОВ состояния. Это иллюстрируют данные следующей таблицы.
Таблица 12
Влияние регуляторов ОВ состояния на Еh почв и развитие растений
Вариант ЕЙ, мв по ХСЭ Масса растений Корни
серая лесная почва
контроль 160 4,4 27,3 мм
+ Fе2(SО4)з 15 мг/100 г 215 6,6 181,0 мм
чернозем
контроль -125 1,37 0,47 г
+ 2 г ШО3 189 2,54 1,16 г
Как видно из представленных данных, внесение в почву Fе2(SО4)з и КNОз повысило окислительно-восстановительный потенциал избыточно увлажненных почв, массу корней и их размер. При внесении в почву ККО3 увеличивается и активность NО3 в почвах (табл. 13). Увеличение Еh при внесении в почву окислителя больше при увеличении дозы регуляторов. Подкисление почв также приводит к некоторому увеличению Е^ что соответствует теоретическим закономерностям.
Таблица 13
Влияние внесения в почву КNОз на Еh почв и рNОз на 14 день затопления
Определяемые параметры Дерново-подзолистые почвы разной степени окультуренности и чернозем
ОК3 ОК1 ОК2 чернозем
ЕЙ мв по ХСЭ, контроль -235 -135 -180 -105
+ ШО3 105 125 130 170
рNО3, контроль 4,0 4,0 4,0 3,0
+ ШО3 2,0 2,0 1,0 2,0
вес стеблей, контроль 1.1 1,1 0,5 0,9
+ ШО3 3,1 0,9 1.2 1.4
* ОК3 - хорошо окультуренная, ОК - слабоокультуренная, ОК2 - среднеокультуренная
Выводы
1. Проведенные экспериментальные исследования показали, что для полной оценки окислительно-восстановительных свойств почв необходимо определение фракционного состава окислительно-восстановительных систем методами титрования окислителями и восстановителями, методом потенциостатической кулономе-трии на электродах из почвенно-угольной пасты.
Дополнительную оценку окислительно-восстановительного состояния почв дает определение антирадикальной активности почвенных растворов и содержания в них антиоксидантов, углекислого газа и кислорода; содержания в почве положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений катионов, аэроионов.
2. Количество соединений почв, восстанавливающихся при использовании по-тенциостатической кулонометрии при Еh = -0,3 в, составляло в дерново-подзолистой почве 0,6 мг-экв/100 г, в перегнойно-торфяной - 6,8; окисляющихся при Еh =+1,0 в соответственно 0,20 и 260 мг-экв/100 г. Количество антиоксидантов в мкг/г в пересчете на кверцетин составляло в почвенном растворе дерново-подзолистой почвы оптимального увлажнения 2,9, а в почве избыточного увлажнения - 5,5.
3. Предлагается определение фракционного состава окислительно-восстановительных систем при титровании суспензий почв окислителями и восстановителями с разной величиной окислительно-восстановительного потенциала, при определенных концентрациях и определенной температуре титранта.
4. Показана информативность величин AEh/ДрН, которые отличаются для разных почв и в отдельных интервалах рН. Это еще раз свидетельствует об условности оценки напряженности окислительно-восстановительных процессов в почве по величине гН2.
Важное практическое значение имеет оценка изменения свойств почв на единицу изменения Eh и рН. Это позволяет рассчитывать пути оптимизации обстановки и способы повышения плодородия почв.
В интервале рН от 3 до 10 величина AEh/ДрН составляла в дерново-подзолистой почве - 62,2, в серой лесной почве - 43,9, в красноземе - 78,1.
При компостировании почв в условиях избыточного увлажнения содержание водорастворимого железа возросло с 9,2 до 15,3 мг/л, рН(Н2О) - с 6.1 до 7,5, рNО3 -с 2,3 до 2,5.
5. Анаэробные условия, возникающие в почвах, тесно связаны и с процессами метаболизма растений.
По полученным данным, Eh раствора дерново-подзолистой почвы, контактирующей с корнями картофеля, составлял +50 мв, а с корнями таволги достигал величины +153 мв. В продуктах транспирации листьев яблони, развивающейся на дерново-подзолистой почве нормального и избыточного увлажнения, содержание Са составляло соответственно 20,1 и 11,0 мг/л, Fе - 0,4 и 0,8; Мп - 0,04 и 0,08; К -15,1 и 27,6 мг/л.
6. Установлено, что для оптимизации свойств почв и системы почва-растение целесообразно совместное регулирование Eh почв; инактивация токсикантов, появляющихся при анаэробиозисе; введение в растения микроэлементов, являющихся составной частью окислительно-восстановительных ферментов в растениях.
Библиографический список
1. Кауричев И.С., Орлов Д.С. Окислительно-восстановительные процессы и их роль в генезисе и плодородии почв // М., Колос, 1982, 272 с.
2. Савич В.И., Улько Н.Г., Яковлева Н.Н. Определение окислительно-восстановительного состояния почв методом потенциостатической кулонометрии на электродах из почвенно-угольной пасты, Почвоведение, 1979, № 4, с. 157-166
3. Савич В.И., Смарыгин С.Н. Определение буферной емкости почв в окислительно-восстановительном интервале методом потенциостатической кулонометрии, Изв. ТСХА, 1979, вып. 4, с. 194-196
4. Савич В.И., Раскатов В.А. Инструментальные методы исследования почв как компонентов агрофитоценозов и экологической системы. Учебное пособие / Савич В.И.; Раскатов В.А. - Москва: Издательство РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2012. - 229 с.
5. Савич В.И., Саидов А.К., Раскатов В.А. Норовсурэн Ж., Снагинский В.Е. Геофизические поля как фактор почвообразования // Изв.ТСХА, Вып. 3, 2009, с. 9-23
6. Савич В.И., Савич Л.В., ВишняковЮ.М. Оценка предельно допустимой концентрации свинца по активности фотосинтеза // Докл. АН РФ. Общая биология, 1993, т. 333, № 2, с. 121-122
7. Савич В.И., Кауричев И. С., Шишов Л.Л. Агрономическая оценка окислительно-восстановительного состояния почв // Почвоведение, 2004, № 6, с. 702-712
8. Савич В.И., МазировМ.А., Седых В.А. Агроэкологическая оценка геофизических полей // РГАУ-МСХА, ВНИИА, 2016, 492 с.
9. Савич В.И., Мазиров М.А., Борисов Б.А. Оценка оптимальных свойств почв и недостатка элементов питания для растений с использованием методов на основе принципов обратной связи, Международный с.-х. ж-л, 2017, № 4, с. 48-50
10. Шатилов И. С., Замараев А.Г., Савич В.И. Энергомассообмен в звене полевого севооборота, ч. 1 // М., Агроконсалт, 2004, 368 с.
11. Jan Glinshi Zofia Stepniewska, Witold Stepniewski, Artur Banach oxidation -reduction properties of soils, Lublin, 2012, 128 p.
INTEGRAL ESTIMATION OF OXIDATION-REDUCTION (REDOX) STATUS OF THE "SOIL-PLANT" SYSTEM
V.I. SAVICH1, S.N. SMARYGIN1, V.V. GUKALOV2, V.A. RASKATOV1, A.M. POLYAKOV1
(1 Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, 2 North-Caucasian Agricultural Experimental Station)
The paper considers some issues relating to the evaluation of oxidation-reduction (redox) properties of soils using a system of titration methods with oxidizers and reducing agents, and con-trolled-potential coulometry on electrodes from a soil-coal paste. The redox status of soils can be additionally evaluated using the gas-discharge imaging method through determining the anti-radical activity of soil solutions and the content of antioxidants, carbon dioxide and oxygen, as well as positively and negatively charged complex compounds of cations, air ions in the soil, and the energy status of soils.
It is shown that the amount of reduced substances increases in case of abundant soil moisture and increased humus content. The authors prove the reasonability of estimating the redox buffer capacity of soils and offer its mathematical description using 15 equations of pair correlation. In the pH range from 3 to 10, the value of AEh / ApH has amounted to 62.2 in the sod-podzolic soil and 43.9 in gray forest soil.
Studies have proved the need to determine the Eh value in the root zone of plants in order to evaluate the redox status of soils. It is shown that plants adapted to the anaerobiosis conditions are highly prone to regulate Eh in the root zone and the absorption selectivity of individual elements.
It has been found that to optimize the properties of soils and the "soil-plant" system, it is advisable to take the following joint measures: regulate the Eh factor of soils, inactivate the toxicants that appear in anaerobiosis, and introduce into the plants microelements that are an integral part of the redox enzymes ofplants.
It is proved that the most complete evaluation of the redox status of soils requires integral interpretation of redox properties, processes and modes to develop models of an optimal redox status of soils necessary to perform various ecological functions.
Keywords: oxidation-reduction (redox) status, soil, plant, regulation, buffer capacity.
References
1. Kaurichev I.S., Orlov D.S. Okislitel'no-vosstanovitel'nyye protsessy i ikh rol' v genezise i plodorodii pochv [Redox processes and their role in soil genesis and fertility] // M., Kolos, 1982: 272. (In Rus.)
2. Savich V.I., Ul'ko N.G., YakovlevaN.N. Opredeleniye okislitel'no-vosstanovitel'-nogo sostoyaniya pochv metodom potentsiostaticheskoy kulonometrii na elektrodakh iz
pochvenno-ugol'noy pasty [Determination of the redox state of soils using the method of controlled-potential coulometry at the electrodes of soil-coal paste] // Pochvovedeniye, 1979; no.4: 157-166. (In Rus.)
3. Savich V.I., Smarygin S.N. Opredeleniye bufernoy yemkosti pochv v okislitel'-no-vosstanovitel'nom intervale metodom potentsiostaticheskoy kulonometrii [Determination of soil buffer capacity in the redox interval using the method of controlled-potential coulometry] // Izv. TSKHA, 1979, isssue 4: 194-196. (In Rus.)
4. Savich V.I., Raskatov V.A. Instrumental'nyye metody issledovaniya pochv kak komponentov agrofitotsenozov i ekologicheskoy sistemy [Instrumental methods for the study of soils as components of agrophytocenosis and ecological systems]. Study manual / Savich V.I.; Raskatov V.A. - Moskva: Izdatel'stvo RGAU-MSKHA imeni K.A. Timiryazeva, 2012: 229. (In Rus.)
5. Savich V.I., Saidov A.K., Raskatov V.A. Norovsuren Zh., Snaginskiy V.Ye. Geo-fizicheskiye polya kak faktor pochvoobrazovaniya [Geophysical fields as a factor of soil formation] // Izv. of TAA, issue 3, 2009: 9-23. (In Rus.)
6. Savich V.I., Savich L.V., Vishnyakov Yu.M. Otsenka predel'no dopustimoy kont-sentratsii svintsa po aktivnosti fotosinteza [Determination of the maximum allowable concentration of lead based on photosynthesis activity] // Dokl. AN RF. Obshchaya biologiya, 1993, vol. 333, no.2: 121-122. (In Rus.)
7. Savich V.I., KaurichevI.S., ShishovL.L. Agronomicheskaya otsenka okislitel'-no-vosstanovitel'nogo sostoyaniya pochv [Agronomical evaluation of the soil redox status] // Pochvovedeniye, 2004, no.6: 702-712. (In Rus.)
8. Savich V.I., Mazirov M.A., Sedykh V.A. Agroekologicheskaya otsenka geo-fizicheskikh poley [Agroecological evaluation of geophysical fields] // RGAU-MSKHA, VNIIA, 2016: 492. (In Rus.)
9. Savich V.I., Mazirov M.A., Borisov B.A. Otsenka optimal'nykh svoystv pochv i nedostatka elementov pitaniya dlya rasteniy s ispol'zovaniyem metodov na osnove print-sipov obratnoy svyazi [Evaluation of optimal soil properties and lack of nutrients for plants using methods based on the feedback principles] // Mezhdunarodnyy s.-kh. zh-l, 2017, no.4: 48-50 (In Rus.)
10. ShatilovI.S., Zamarayev A.G., Savich V.I. Energomassoobmen v zvene polevogo sevooborota [Energy mass transfer in the link of field crop rotation], part 1 // M., Agrokon-salt, 2004: 368. (In Rus.)
11. Jan Glinshi Zofia Stepniewska, Witold Stepniewski, Artur Banach oxidation -reduction properties of soils, Lublin, 2012: 128. (In English)
Савич Виталий Игоревич - д.с.-х.н., профессор, кафедра почвоведения, геологии и ландшафтоведения, Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева, 127550 Москва ул. Тимирязевская, д. 49. Тел. 905-501-14-46, E-mail: savich.mail@gmail.com.
Смарыгин Сергей Николаевич - к.х.н., профессор, кафедра химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
Гукалов Виктор Владимирович - кандидат c. - х. наук, директор СевероКубанской сельскохозяйственной опытной станции.
Раскатов Вячеслав Андреевич - к.б.н, доц. кафедры экологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; тел.: +7(926) 571-01-09 e-mail: raskatovv@list.ru).
Поляков Алексей Михайлович - ассистент кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева.
Vitaliy I. Savich - DSc (Ag), Professor, the Department of Soil Science, Geology and Landscape Study, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy (127550, Moscow, Timiryazevskaya Str., 49, phone: 8(499) 976-08-97 e-mail: savich.mail@gmail.com.
Sergey N. Smarygin - PhD (Chem), Professor, the Department of Chemistry, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy (127550, Moscow, Timiryazevskaya Str., 49)
Viktor V. Gukalov - PhD (Ag), Deirector of North-Caucasian Agricultural Experemental Station.
Vyacheslav A. Raskatov -PhD (Bio), Associate Professor, the Department of Ecology, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy (127550, Moscow, Timiryazevskaya Str., 49, phone: +7 (926) 571-01-09; e-mail: raskatovv@list.ru).
Aleksei M. Polyakov, Assistant Professor, the Department of Soil Science, Geology and Landscape Study, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy (127550, Moscow, Timiryazevskaya Str., 49)
