CC BY
9
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2017, том 23, № 2 (71), с. 62-67
——— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ =====
УДК 631. 41
О ДИНАМИКЕ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ ЙОДА В КОМПОНЕНТАХ АРИДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ЗАПАДНОГО ПРИКАСПИЯ
© 2017 г. Н.Т. Гаджимусиева*, А.А Сайдиева**
* Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦ РАН Россия, 367000, г Махачкала, ул. Гаджиева, д. 45. E- mail: [email protected] **Дагестанский государственный университет Россия, 367000, г. Махачкала, ул. Гаджиева, д. 43 а
Поступила 20.05.2016
Обобщены многолетние исследования по динамике накопления йода, миграционных процессов в системе «почва-растение». Дана характеристика сезонных ритмов потребления йода естественной растительностью и агрофитоценозами, определена роль почвенного гумуса в накоплении подвижных форм йода. Описаны показатели круговорота по сезонам, и динамика оттока подвижных форм элемента из почвы в вегетативные органы растений. Выявленные запасы валовых форм йода, свидетельствуют о потенциальных возможностях обогащения подвижными формами и устранения йодной недостаточности в почвах Западного Прикаспия.
Ключевые слова: йод, подвижные формы, естественный ценоз, каштановая почва, фитомасса, вегетативные органы.
В составе биофильных элементов, наиболее важные функции в росте и развитии растений принадлежат йоду и его подвижным формам. Актуальность изучения влияния содержания йода и миграции подвижных форм подчеркиваются в работах, ученых различных регионов страны. Наиболее важными из них являются результаты, изучения микроэлементного состава почв и растений Дагестана (Салманов, 1981), закономерности изменения содержания йода в почвах и почвообразующих породах, распределение йода и других микроэлементов в различных типах почв Европейской части РФ (Битюцкий и др., 1974). Несмотря на значительный объем исследований, работы по выявлению запасов йода, экологической роли и динамике в различных растительных сообществах не проводились. Остаются так же недостаточно изученными, пространственно-временная динамика йода и его соединений в системе «почва - растения». Учитывая практическую необходимость, в определении запасов и современной динамики подвижных форм йода, нами проведены исследования сезонной динамики, в составе фитомассы агроценоза и естественного ценоза, в пределах территории одного из типичных регионов аридного климатического режима Западного Прикаспия. Актуальность изучения биологической роли исследования йода и его подвижных форм, связана с тем, что этот химический элемент, входящий в состав почвообразующих пород, накапливается в почвах, в процессах, происходящих в составе почвенного гумуса. Такое действие, обусловлено подвижностью доступного йода растениями, в условиях повышенного содержания карбонатов, Са, Mg. Отличительной чертой химических свойств, имеющих прямое отношение к каштановым почвам, является закрепление элемента в составе гумуса с образованием слабощелочной почвенной среды. Биогеохимический круговорот и процессы обмена веществ между растениями и почвой, служат основой управления биологической продуктивности природных и агрокультурных биогеоценозов и повышения плодородия почв.
Материалы и методы
Объектом исследования послужили степные экосистемы с каштановыми карбонатными среднесуглинистыми почвами под разнотравно-злаковой ассоциацией. Второй участок - агроценоз расположен в ареале одноименной почвенной разности озимой пшеницы сорт «юбилейная». Условия здесь являются типичными для развития аридных экосистем и освоенных вариантов в земледелии. Эксперименты в виде ключевых площадок заложены на естественных (целинных) участках,
отведенных под кормовые угодья и освоенных участках под озимую пшеницу в условиях орошения. Ключевые площадки в количестве - 4-х занимают 20 га с общей площадью полигона с защитной полосой - 100 га. В экологическом плане, территория представляет благоприятную среду, для изучения подвижных форм йода в гумусовом слое автоморфных почв. Каштановые почвы обогащаются йодом, поступающим из атмосферы, где травянистый покров абсорбирует йод, благодаря ворсистой поверхности зеленого покрова. Накопление его в основном происходит в надземной части фитомассы, являясь одним из основных факторов поглощения йода из разных источников.
Закладка почвенных разрезов, описание, отбор образцов по горизонтам, проведены по методике Л.Е. Родиной с соавторами (1968), подземная биомасса определяли методом закладки монолитов (Шалыт, 1960). Лабораторные анализы проведены с применением химических методов (Аринушкина, 1970) и радонитно-нитритным методом в модификации Г.Ф. Проскуряковой и О.Н. Никитина. (1976). Отбор надземной и подземной фитомассы осуществлен по фазам развития, с закладкой укосных площадок, сушкой фитомассы и последующим разбором по фракциям. Пробы отбирали в следующие фазы развития: 1) кущение, 2) трубкование, 3) цветение (колошение), 4) плодообразование, 5) молочно-восковая спелость, 6) полная спелость. Надземную фитомассу естественных фитоценозов учитывали укосным методом; размер площадок - 1 м2, повторность 5-кратная с выделением соответствующих фракций.
Результаты и обсуждения
Формирование надземных экосистем в естественных и освоенных условиях протекает под влиянием аридного климатического режима и процессов дельтово-аллювиального почвообразования. Близкое расположение Каспийского моря, пестрота литологического строения и широкий диапазон сезонных различий в глубине залегания грунтовых вод, вносят существенные изменения в водный баланс экосистем, видовое разнообразие растений и миграцию подвижных форм йодистых соединений в компонентах экосистем.
Характерной чертой видового разнообразия злаково-разнотравной растительности естественных экосистем, является изменение соотношения отдельных видов и соотношения их проективного покрытия при переходе от весеннего к летнему и летне-осеннему сезону (табл. 1).
Таблица 1. Смена растительного сообщества в степном ценозе на каштановой почве.
Время отбора проб Видовой состав растений Количество видов
Май Trifolium pratense L., Cardaria draba, Hieracium pilosella, Anthemis ruthenica Bieb., Carduus acanthoides, Artemisia taurica, Juncus effusus, Achillea millefolium 17
Июнь Elytrigia repens (доминант), Trifolium repens, Potentilla reptans L., Artemisia taurica, Alhagi pseudalhagi (M. Bieb.) Fisch., Seseli tortuosum L. 28
Июль Elytrigia repens, Trifolium repens, Potentilla reptans L., Artemisia taurica, Alhagi pseudalhagi (M. Bieb.) Fisch. 31
Сезонное увеличение соотношения йодистых соединений наблюдается у видов, обладающих высокой кормовой ценностью: пырей ползучий (Elitrigia repens), клевер ползучий (Trifolium repens) и др. В показателях фитоценозов, формирующихся на каштановой слабосолонцеватой почве, отмечаются существенные изменения в величине, структуре фитомассы, функционально определяющей, содержание и миграцию йода. Данными, характеризующими временную динамику злаково-разнотравного фитоценоза, подтверждается преобладающая роль надземной фитомассы летнего периода в ее годовом цикле (табл. 2).
По динамике подземной фитомассы видно, что максимальная величина накапливается к середине летнего периода. Смещение во времени связано с определяющими темпами накопления надземных вегетативных органов при умеренно-достаточном атмосферном увлажнении летнего периода. Опережающие темпы развития надземной фитомассы, обусловлены увеличением увлажняющего
Таблица 2. Динамика растительного вещества в степном ценозе (участок Красноармейский.) и агроценозе озимой пшеницы (участок ДСХИ) на каштановом типе почв, г/м2.
Месяц Ценозы Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь
Надземная масса степной 133.2 207.5 296.4 365.0 94.4
агроценоз 579.6 830.0 896.7 556.9 -
Стебли степной - - - - -
агроценоз 238.5 333.4 380.7 290.7 -
Листья степной - - - - -
агроценоз 178.4 214.4 224.3 148.5 -
Колосья степной - - - - -
агроценоз 127.8 282.7 516.0 - -
Корни степной 560.3 700.8 333.9 219.9 560.3 392.5
агроценоз 1.095 0.965 0.905 1.135 1.115
Ветошь степной 148.8 59.1 79.9 105.9 148.3 125.6
агроценоз 144.2 149.8 152.0 258.7 320.2
Мортмасса степной 350.1 601.6 441.4 56.7 250.8 285.8
агроценоз 260.8 - - 14.86 232.6
эффекта почв, под влиянием метеорологических условий (Яруллина, 1983). Максимальная величина растительных остатков отмечается в периоды перехода от весеннего к летнему, где его величина зависит от многолетнего цикла гидротермических условий. Высокие темпы накопления подземной фитомассы, отмечаются в августе (560.5 г/м2), связанные со стабильным режимом умеренного увлажнения. Осеннее увеличение подземной фитомассы, указывает на изменение количества микроэлементов в корнях растений, включая и подвижные формы йода. Растительные остатки и годовой опад, достигают максимума в летний период. Величина годового опада и прироста надземных органов в злаково-полынной ассоциации характеризуются близкими величинами, указывая на устойчивость современного состояния пастбищных экосистем (Гаджимусиева, 2014).
Таблица 3. Запасы йода в степном ценозе и агроценозе Западного Прикаскпия, мг/м2.
Месяц Ценозы Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь
Надземная масса степной 0.041 0.085 0.207 0.112 0.020 0.154
агроцен 0.480 0.813 0.825 0.512 - -
Стебли степной - - - - - -
агроцен - 0.205 0.118 - - -
Листья степной - - - - - -
агроцен - 0.176 - - - -
Колосья степной - - - - - -
агроцен - 0.314 0.513 - - -
Корни степной 0.182 0.287 0.236 0.047 0.166 0.121
агроцен - 0.311 0.435 0.488 0.480 0.501
Ветошь степной 0.083 0.015 0.018 0.025 0.108 0.092
агроцен 0.132 - 0.106 0.203 0.200 -
Мортмасса степной 0.203 0.440 0.150 0.016 0.13 0.092
агроцен 0.228 - - 0.00942 0.0493 -
Растительные остатки степной - 0.011 - - 0.026 0.005
агроцен - - - 0.0037 - 0.008
К середине летнего периода содержание йода в зеленой массе (табл. 3) достигает максимума (0.207 г/м2), где доминантную роль выполняет клевер ползучий и пырей ползучий. При трансформации растительной массы от зеленых частей к ветоши, запасы йода уменьшаются, тогда, как в остатках растений обнаружено значительное превышение этого микроэлемента. Это
объясняется тем, что доминирующее по фитомассе разнотравье (включая адвентивные виды), в летний период поглощает подвижные формы йода, создавая конкуренцию фоновому злаково-разнотравному сообществу (рис. 1). Важное значение, имеют полученные данные по выявлению степени влияния подвижных форм йода на состав компонентов, освоенных в земледелии агроэкосистем под озимой пшеницей. Максимальное количество йода выявлены в вегетативных фазах кущения и колошения. Причем содержание больше концентрировалось в стеблях и ветках первого и второго порядков. При трансформации растительного вещества от надземных частей к ветоши, наблюдается увеличение величины йода, иллюстрируя значительное накопление в корневой массе. Запасы йода в зерне составили 16% от всех запасов элемента, в надземной фитомассе озимой пшеницы - 84%. Для определения запасов йода в почве, провели оценку их подвижных форм и величины ежегодного выноса с урожаем озимой пшеницы.
мг/м2
0.5 0.45
Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь
□ Надземная масса Е Корни □ Ветошь а Мортмасса
Рис. 1. Сезонная динамика накопления запасов йода в структуре фитомассы биогеоценоза на каштановой почве, мг/м2.
Важной характеристикой при определении динамики йода является сезонный ритм потребления растениями, который складывается в основном из количества поглощаемой части элемента отдельными органами озимой пшеницы. Установлено, что значительная величина запасов валовой и подвижных форм йода в надземной фитомассе составляют 0.896 мг/м2. Накопление максимального количества в колосьях пшеницы в летний период - 513 мг/м2, позволяет отметить ведущую его роль в увеличении общего количества йода в надземной фитомассе агрофитоценоза. Накопление в стеблях и листьях (соответственно 0.205 мг/м2 и 0.176 мг/м2) достигает максимума в весенний период, оно связано с влиянием восходящих потоков влаги, способствующих сезонной концентрации элемента в вегетативных органах. Такая реакция йода, продолжается миграцией подвижных форм в летний период, с последующим накоплением в колосьях и корневой системе (0.488 мг/м2). В приведенной диаграмме (рис. 2) видно, что определяющими показателями сезонной динамики накопления йода в составе фитомассы агроценоза озимой пшеницы является надземная масса. С переходом к летне-осеннему периоду, йод сосредотачивается в корнях и остатках растений, разложившихся в разной степени. Увеличение йода в надземной фитомассе и в колосьях озимой пшеницы и изменение соотношения количества подземной массы в вегетационный период, являются важными критериями, которые необходимо учитывать при разработке мероприятий по повышению качества продукции сельскохозяйственных растений, выращенных в агроценозах, рассматриваемого типа почв.
Для большинства типов почв отмечается положительная корреляционная зависимость между содержанием йода и гумуса в почве, причем, чем больше в почве содержания органического
вещества, тем выше коэффициент корреляции. Среднее содержание валого йода в каштановых почвах 4.81 мг/кг. Величина йода в горизонтах А+В+С колеблется в пределах 1.19-7.64мг/кг (Дибирова и др., 2005). Все извлеченные питательные вещества возвращаются в почву с опадом и мортмассой в биологический круговорот. Известно, что естественные пастбища, являются малопродуктивными экосистемами, почвы их обеднены, вследствие выноса органических и минеральных веществ при выпасе скота (Кермиханов, 1989).
мг/м2 0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Апрель Май Июнь Июль Август
ИНадземная масса ИСтебли ■ Листья НКолосья ш Корни ИВетошь И Мортмасса
Рис.2. Сезонная динамика накопления запасов йода в структуре фитомассы агрооценоза озимой пшеницы мг/м2.
Выводы
Основные процессы, характеризующие динамику накопления йода в компонентах аридных экосистем, формируются с учетом иерархии по их значимости форм йодистых соединений.
1. Поступление йода в растения, обуславливается запасами, содержащимися в почвообразующей породе (миграция, превращение), способствуя накоплению в почве запасов, значительно превышающих по сравнению с их величиной, содержащейся в исходной почвообразующей породе.
2. Сезонный ритм потребления йода естественными ценозами и агрофитоценозами характеризуется общей закономерностью, закреплением основных запасов элемента в гумусированных горизонтах почв в условиях слабощелочной реакции и повышенного содержания карбонатов Са, Mg. Отличия сезонных изменений в потреблении йода сводятся к увеличению элемента в вегетативных органах, различия которых отражают влияние сезонных метеорологических условий. Переход подвижной части запасов йода к ветоши и мортмассе, связан с концентрацией их в конце вегетационного периода в репродуктивных органах.
3. Содержание и оборот запасов йода в компонентах злаково-разнотравной растительности на каштановой карбонатной почве накапливает максимум в подземной (корневой) системе (560.5 г/м2) в сентябре. В конце летнего периода, устанавливается минимальное содержание микроэлемента в надземной фитомассе, при значительном увеличении в ветоши и мортмассе. Это явление связано с оттоком подвижных форм элемента в вегетативные органы после отмирания и включения с массу годового опада.
4. Важным показателем круговорота йода в компонентах агрофитоценоза является продолжительность процесса миграции во времени, за которое в агроэкосистему поступает количество подвижных форм йода, равные его средней величине содержания в вегетативных органах. Заметное увеличение элемента отмечается в стадии полной спелости озимой пшеницы. Круговорот
между растениями и почвой агроценоза характеризуется отрицательным балансом поступающего количества йода в почву - 0.38 г/м2.
5. Максимум потребления йода в двух видах экосистем приходится на июнь.
В отличие от агроэкосистемы, в естественной экосистеме масштабы поступления микроэлемента вместе с опадом и мортмассой больше, и, следовательно, они сильнее влияют на биологический круговорот. Для скомпенсированности баланса и приближения его к положительным значениям, необходимо внесение микроудобрений с содержанием йодида калия в определенном объеме. Наличие запасов валовых форм йода в почвах региона свидетельствует о потенциальных возможностях обогащения подвижными формами и устранения йодной недостаточности аридных почв Западного Прикаспия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Аринушкина Е.В. 1970. Руководство по химическому анализу почв. М.: Издательство МГУ. 475 с. Битюцкий Н.П. 1974. Микроэлементы и растения: Учеб. пособие. Л: Изд-во ЛГУ. С. 1999-2321. Гаджимусиева Н.Т. 2014. Баланс основных микроэлементов в агроэкосистемах и естественных экосистемах
Западного Прикаспия // Вестник ТГУ. Т. 19. Вып. 5. С. 1488-1491. Дибирова А.П., Ахмедова З.Н., Рамазанова Н.И., Хизроева П.Р. 2005. Содержанием молибдена, цинка, бора,
йода в почвах равнинной территории Дагестана // Почвоведение. №8. С. 968-973. Керимханов С.У. 1989. Основные пути воспроизводства почвенного плодородия в условиях Дагестана //
Биологические науки. № 11. С. 13-20. Проскурякова Г.Ф., Никитина О.Н. 1976. Ускоренный вариант кинетического родонидно-нитритного метода
определения микроколичеств йода в биологических объектах // Агрохимия. № 7. С. 140-143. Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. 1968. Методологические указания к изучению динамики и
биологического круговорота в фитоценозах. Л.: Наука. 143 с. Салманов А.Б. 1981. Микроэлементы в почвах Терско-Сулакской низменности // Сборник научных трудов. Махачкала. 185 с.
Шалыт М.С. 1960. Методика изучения морфологии и экологии подземной части отдельных растений и
растительных сообществ. Полевая геобатаника. М.-Л.: Наука. 87 с. Яруллина Н.А. 1983. Первичная биологическая продуктивность почв дельты Терека. М.: Наука. 85 с.
