Научная статья на тему 'Процессы трансформации соединений железа в почвах рисовых агроценозов Кубани'

Процессы трансформации соединений железа в почвах рисовых агроценозов Кубани Текст научной статьи по специальности «Сельское и лесное хозяйство»

CC BY
102
10
Поделиться
Ключевые слова
РИСОВАЯ ЛУГОВО-ЧЕРНОЗЁМНАЯ ПОЧВА / РИСОВАЯ ЛУГОВО-БОЛОТНАЯ ПОЧВА / СОЕДИНЕНИЯ ЖЕЛЕЗА / ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ / RICE / MEADOW-CHERNOZEM SOIL / MEADOW-BOGGY SOIL / IRON COMPOUNDS / OXIDATION-REDUCTION POTENTIAL

Аннотация научной статьи по сельскому и лесному хозяйству, автор научной работы — Гуторова Оксана Александровна, Шеуджен Асхад Хазретович, Зубкова Татьяна Александровна

Исследования направлены на изучение окислительно-восстановительного режима и трансформации соединений железа в рисовых почвах Кубани. Максимальное восстановление железа на рисовых лугово-болотной и лугово-чернозёмной почвах достигается к фазе цветения растений риса соответственно при ОВП=-127, рН=7,36 ед., rH2=10 и ОВП=-167 mV, рН=7,10 ед., rH2=9. К периоду наибольшей напряжённости восстановительных процессов на рисовой лугово-болотной почве соотношение FeO/Fe2O3 в слое 0-10 см возрастает до 14,0 с сохранением анаэробной среды в более нижних слоях (FeO/Fe2O3=1,0-3,2). На рисовой лугово-чернозёмной почве соотношение FeO/Fe2O3 в верхних слоях 0-10 и 10-20 см более узкое, равное 2,8 и 2,4 соответственно. В нижних слоях анаэробные процессы уменьшаются (FeO/Fe2O3=0,07-0,17). В незатапливаемых рисовых почвах под многолетними травами преобладает окислительный режим и трансформация соединений железа не происходит.

Похожие темы научных работ по сельскому и лесному хозяйству , автор научной работы — Гуторова Оксана Александровна, Шеуджен Асхад Хазретович, Зубкова Татьяна Александровна,

PROCESSES OF IRON COMPOUNDS TRANSFORMATION IN THE SOILS OF RICE AGROCENOSES IN KUBAN

The studies have been purposed to study the oxidation-reduction regime and the transformation of iron compounds in the rice soils of Kuban. The maximum iron reduction in rice meadow-boggy and meadow-chernozem soils is achieved by the flowering phase of rice plants, respectively, with ORP=-127, pH=7.36 units, rH2=10 and ORP=-167 mV, pH=7.10 units, RH2=9. By the period of the greatest intensity of the restoration processes in the rice meadow-boggy soil, the FeO/Fe2O3 ratio in the 0-10 cm layer increases up to 14.0 with the anaerobic medium remaining in the lower layers (FeO/Fe2O3= 1.0-3.2). In rice meadow-chernozem soils, the ratio of FeO/Fe2O3 in the upper layers of 0.10 and 10-20 cm is narrower, and it is equal to 2.8 and 2.4, respectively. In the lower layers the anaerobic processes decrease (FeO/Fe2O3=0.07-0.17). In the non-flooded rice soils, sown with perennial grasses, the oxidative regime is dominating and there is no transformation of iron compounds.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Процессы трансформации соединений железа в почвах рисовых агроценозов Кубани»

Процессы трансформации соединений железа в почвах рисовых агроценозов Кубани*

О.А. Гуторова, к.б.н., А.Х. Шеуджен, д.б.н, профессор, академик РАН, ФГБНУ ВНИИ риса, ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ, Т.А. Зубкова, д.б.н., МГУ им. М.В. Ломоносова

Железо является необходимым и незаменимым элементом минерального питания и активным регулятором окислительно-восстановительных (ОВ) процессов в почве. Генезис рисовых почв тесно связан с трансформацией соединений железа [1, 2]. Периодически возникающие восстановительные процессы в рисовой почве благоприятствуют питанию растений риса железом. В растение этот элемент поступает в виде катионов Fe2+ и Fe3+, а также в форме хелатов [2]. Восстановление Fe3+ до Fe2+ в почве начинается при рН = 6,0 ед. и снижении ОВП до 220 мВ, а также в условиях рН = 7,0 ед. и ОВП, равном 160 шУ [9]. Это благоприятно влияет на обеспеченность растений риса железом, но при определённых условиях может оказать и отрицательное воздействие. В восстановленной среде при низких значениях ОВП порядка 100 200 шУ и ниже Fe2+ может осаждаться в рудообразной форме и быть в недоступной для растений форме [2].

Избыток в почвенном растворе Fe2+ может вызвать токсикоз у растений риса. Наличие Fe2+ в почве более 10 г/кг способно оказывать отрицательное воздействие на всходы риса. В это

время корневая система выделяет недостаточное количество кислорода. Поэтому восстановленное железо в ризосфере корней окисляется не полностью и частично проникает в клетки корня, окисляясь там кислородом, предназначенным для окисления внутриклеточных процессов. При этом Fe2+ переходит в гидроокисные формы, выпадает в осадок, образуя друзы в клетках и закупоривая проводящие сосуды, что может привести к ослаблению и даже изреживанию всходов. Наличие восстановленного железа в затопленной почве до 500 мг/л почвенного раствора не оказывает вредного действия на прорастание семян риса [3]. По данным T. Aung, при концентрациях Fe2+ 500—2500 мг/л потери урожая риса могут варьировать от 40 до 100% [10].

С другой стороны, при накоплении Fe2+ в почвенном растворе создаются условия для связывания сероводорода, устранения продуктов анаэробного разложения, являющихся токсичными для риса. В результате реакции FeO + H2S ^ FeS + H2O образуется нерастворимое в воде сернистое железо, безвредное для растений риса, кристаллизующееся в форме гидротроилита — FeS х nH2O [3]. Для нейтрализации одной весовой части сероводорода требуется около 2,1 части Fe2+, т.е. не более 20—30% от общего его запаса [4].

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и министерства образования, науки и молодёжной политики Краснодарского края в рамках научного проекта № 16-44-230473

В связи с вышеизложенным целью исследования являлось изучение окислительно-восстановительных процессов и трансформации соединений железа в рисовых почвах Кубани.

Материал и методы исследования. Исследование проведено на рисовой оросительной системе ЭСП «Красное» Красноармейского района. Объекты исследования — рисовые лугово-чернозёмная и лугово-болотная почвы. В пределах указанных типов почв выбраны ключевые участки, занятые как под посевами риса по одинаковым предшественникам, так и под многолетними травами:

Участок 1. Рисовая лугово-чернозёмная почва. Посев риса 1-го года после занятого пара (озимая пшеница).

Участок 2. Рисовая лугово-болотная почва. Посев риса 1-го года после занятого пара (озимая пшеница).

Участок 3. Рисовая лугово-чернозёмная почва. Посев многолетних трав 2-го года.

Участок 4. Рисовая лугово-болотная почва. Посев многолетних трав 2-го года.

Отбор почвенных образцов на участках проводили единовременно в центральной части чека на учётных площадках. Их отбирали в пахотном (0-10 и 10-20 см) и подпахотном (20-30 и 30-40 см) слоях почвы. Почвенно-режимные наблюдения осуществляли до создания слоя воды над поверхностью почвы и после её затопления: 30 (всходы, июнь), 60 (кущение, июль), 90 (цветение, август) и 120 дней (полная спелость зерна, после сброса воды с чека, сентябрь). В почве определяли: содержание двух- ^еО) и трёхвалентного ^е2О3) подвижного железа в 0,1 п растворе Н^О4; рН (ед.) при соотношении почвы к воде 1:2,5 и окислительно-восстановительный потенциал (ОВП, ЕЙ, шУ) в образцах ненарушенного сложения в слое 0-10 см потенциометрическим методом [5]. Величину парциального давления водорода (гН2) вычисляли как: гН2=ЕЙ/30+ 2рН [5, 6].

Результаты исследования. Напряжённость ОВ процессов в почвах с различной величиной рН среды оценивается по величине гН2. В хорошо аэрируемых почвах показатель гН2>27, при развитии восстановительных процессов гН2<27, а при интенсивных восстановительных процессах гН2<20. За границу анаэробиоза принимается гН2, равный 27 [6].

Проведённое исследование показало, что после затопления рисовых чеков (конец апреля - начало мая) происходит резкая смена окислительных процессов восстановительными. Наибольшие значения ОВП отмечены до затопления рисовых почв при гН2, равном 25-28. После создания слоя воды потенциал почвы постепенно уменьшался, достигая минимальных величин в период цветения риса. В этот период зафиксированы отрицательные показатели ОВП в слое 0-10 см до 127-167 шУ при рН = 7,10-7,36 ед. Разница между показателями

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ОВП перед затоплением почвы и в период максимального развития восстановительных процессов (в фазу цветения растений) достигала 502-630 шУ После сброса воды с рисовых полей и просушивания почв активизируются окислительные процессы и значения потенциала увеличивались (рис. 1). Однако благодаря способности почв определённое время после уборки урожая риса находиться в состоянии полного влагонасыщения и повышенного уплотнения пахотного слоя, в них процесс окисления восстановленных продуктов затруднён [7].

Разные почвы обладают неодинаковой устойчивостью к изменению ОВП [8]. Величина снижения потенциала связана с генетическими особенностями почв. Ещё до затопления рисовых чеков разница потенциалов между почвами лугово-болотного и лугово-чернозёмного типа составляла 88 шУ Наиболее сильно восстановительные процессы выражены на лугово-болотной почве в начале вегетации риса (участок 2). Так, через 30 дней после её затопления, что соответствовало фазе всходов, значения ОВП снизились с 375 до 171 шУ, а гН2 равен 17. Это указывало на создавшиеся в верхнем слое 0-10 см сильно восстановленные условия (рис. 1). Отсутствие в этот период у растений достаточно развитой корневой системы может вызвать их угнетение или гибель. Сброс оросительной воды с рисовых чеков, проводимый в этот период, улучшает аэрацию почвы, что благоприятно отражается на развитии растений риса.

Наилучшие условия аэрации наблюдались в рисовой лугово-чернозёмной почве (участок 1). После 30 дней пребывания почвы в затопленном состоянии ОВП в слое 0-10 см снизился с 463 до 323 шУ, при этом гН2=24. Это свидетельствовало о преобладании в почве слабых восстановительных условий (рис. 1).

Рис. 1 - Динамика окислительно-восстановительного потенциала (ЕЬ) в слое 0-10 см рисовых почв

В дальнейшем, независимо от типа почв, в них развивались сильные анаэробные процессы. Уже к фазе кущения растений риса гН2 в почвах понизился до 16. Однако наибольшей напряжённости восстановительные процессы достигали через 90 дней затопления почвы, т.е. в фазу цветения растений. При этом в более обогащённой гумусом лугово-болотной почве ОВП был ниже, чем в

БеО, мг/100 г

Бе2О3, мг/100 г

Фаза вегетациии риса

0-10 см

-л-1-1-1-

10-20 см

20-30 см

30-40 см

а

_ Е

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

О

4 I

л

е

о

и

9

с^ О

К О

Н К

О ' >

к с

Фаза вегетации риса

Рис. 2 - Динамика содержания двух- ^еО) и трёхвалентного ^е2О3) железа в рисовых почвах

лугово-чернозёмной. Разница потенциалов между почвами составила 40 шУ, а величина гН2 была одинаковой, равной 9-10. После прекращения подачи воды на рисовые чеки и создания аэробных условий ОВП более интенсивно возрастал на рисовой лугово-чернозёмной почве, что указывало на довольно быстрое окисление восстановленных соединений.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Исследования показали, что развитие восстановительных процессов привело к трансформации

труднорастворимых соединений железа Fe2O3 в более подвижные реакционные формы FeO. После снижения ОВП содержание восстановленного железа в почве и количественное соотношение FeO/Fe2O3 резко возросло, что указывало на создание восстановленной среды. Интенсивность накопления FeO увеличивалась по мере нарастания напряжённости восстановительных процессов в почве. В период анаэробиоза снижалось содержание Fe2O3 в почве, а при смене анаэробных

условий аэробными их количество вновь резко повышалось.

Разный режим ОВ условий рисовых лугово-чернозёмной и лугово-болотной почв оказал неодинаковое влияние на динамику содержания в них соединений железа (рис. 2).

Для рисовой лугово-болотной почвы (участок 2) характерно слабое проявление восстановительных процессов ещё до её затопления (гН2=25). Суммарное содержание двух- и трёхвалентного железа в пахотном (0-10 и 10-20 см) и подпахотном (20-30 и 30-40 см) слоях почвы составляло соответственно 183,32 и 174,56 мг/100 г почвы. Подвижное железо представлено соединениями трёхвалентной формы ^еО/Ре2О3< 1,0). В то же время весной, до затопления почвы, было обнаружено достаточно высокое содержание недоокисленного железа не только в пахотном слое, но и в подпахотном. Так, на долю FeO приходилось 8-14%, а на Fe2O3 86-92% от суммы FeO + Fe2O3. И по сравнению с рисовой лугово-чернозёмной почвой (участок 1) содержание FeO было больше в 3,0-4,5 раза.

Через месяц после затопления лугово-болотной почвы произошло резкое увеличение содержания FeO и снижение количества Fe2O3, особенно в верхнем слое 0-10 см (FeO/Fe2O3=1,16). Это, несмотря на периодические сбросы воды с чеков в фазу всходов риса, направленные на проветривание и обогащение почвы кислородом воздуха. Хотя в более глубоких слоях почвы сохранялись слабые окислительные условия. Так, соотношение FeO/ Fe2O3 в слоях почвы 10-20, 20-30 и 30-40 см составляло 0,83; 0,62 и 0,42 соответственно.

В фазах кущения и цветения растений риса продолжалось накопление восстановленного железа в почве, достигая своего максимума через 90 дней с момента затопления рисового чека при ОВП=-127 шУ и рН = 7,36 ед. При этом по мере возрастания восстановительных процессов количество трёхвалентного железа в почве резко сокращалось, особенно в верхних слоях 0-10 и 10-20 см (рис. 2). В период наибольшей напряжённости восстановительного режима (фаза цветения растений) соотношение FeO/Fe2O3 в слое 0-10 см повысилось до 14,0. Анаэробная обстановка сохранялась и в нижних слоях почвы - 10-20, 20-30 и 30-40 см. Только восстановительные процессы выражены слабее (FeO/Fe2O3=3,2; 1,8 и 1,0 соответственно).

Совершенно иной ОВ режим в рисовом поле складывался на лугово-чернозёмной почве (участок 1). До посева и затопления чека суммарное содержание подвижного железа в пахотном и подпахотном слоях почвы составляло соответственно 215,61 и 195,03 мг/100 г почвы. При этом на долю FeO приходилось 2,01-3,73%, а на Fe2O3 - 96-98% от суммы. Больше всего недоокисленного железа содержалось в слое 0-10 см и уменьшалось с глубиной в 2 раза.

Если до затопления лугово-чернозёмной почвы содержание FeO сравнительно с участком 2 небольшое, то после создания слоя воды в чеке его количество возросло. Однако в фазе всходов всё ещё преобладало трёхвалентное железо при соотношении FeO/Fe2O3< 1,0. Это объясняется тем, что в этот период были сбросы воды с чеков и почва хорошо обогатилась кислородом воздуха. Но после создания постоянного слоя воды, начиная с фазы кущения до цветения растений риса, отмечено накопление двух- и снижение содержания трёхвалентного железа. Максимальное содержание восстановленного железа достигалось в фазу цветения риса при ОВП=167 шУ и рН = 7,10 ед. В этот период количественное соотношение FeO/Fe2O3 в слоях 0-10 и 10-20 см увеличилось до 2,8 и 2,4 соответственно. Это указывало на протекание в почве восстановительных процессов. С глубиной почвы их напряжённость заметно ослаблялась. Об этом свидетельствовал очень узкий диапазон соотношений FeO/Fe2O3 в слоях 20-30 и 30-40 см, равных соответственно 0,17 и 0,07, указывающих на преобладание в почве окислительной среды.

После сброса воды с рисовых чеков восстановленное железо постепенно окислялось кислородом воздуха. При этом в рисовой лугово-болотной почве оно происходило медленно по сравнению с лугово-чернозёмной (в слое 0-10 см FeO/Fe2O3= 7,4 при ОВП=295 шУ против FeO/Fe2O3= 1,3 при ОВП = 326 шУ). Причём нижние слои почвы более восстановлены, чем верхние 0-10 см, что в первую очередь связано с быстрым просыханием последнего.

В незатопленных рисовых почвах под посевами многолетних трав в течение всего оросительного сезона доминирует трёхвалентное железо (FeO/ Fe2O3< 1,0) и сохраняется постоянный окислительный режим. При этом на рисовой лугово-болотной почве (участок 4) окислительные процессы развиты значительно слабее. На это указывало более высокое содержание в почве недоокисленного железа и более низкий ОВП, колеблющийся в пределах от 388 до 440 шУ при рН=7,10-7,47 ед. и гН2=27-29 (рис. 1, 2).

Лучшие условия аэрации под многолетними травами складывались в рисовой лугово-чернозёмной почве (участок 3). Значения ОВП в течение всего периода измерений колебались в слое 0-10 см от 410 до 470 шУ при рН=6,59-7,57 ед. и гН2=28-30. По сравнению с участком 4 содержание недоокис-ленного железа в почве было меньше (в среднем за весь период): в слое 0-10 см на 33%, в слоях 10-20 и 20-30 см на 41% и в слое 30-40 см на 51%. Соответственно содержание Fe2O3 в почве было повышенным (в среднем за весь период): в слое 0-10 см - на 9,72%, в слое 10-20 см - на 8,63%, в слое 20-30 см - на 6,35% и в слое 30-40 см -на 12,67% (рис. 1, 2).

Но, несмотря на типовые различия почв, содержание БеО под многолетними травами на протяжении всего оросительного сезона в большей степени зависело от погодных условий и максимально наблюдалось в верхнем слое 0—10 см, особенно в июне-июле после выпадения обильных осадков.

Выводы. Восстановительные процессы, создающиеся в рисовых почвах после затопления, приводят к трансформации труднорастворимых соединений железа Ре203 в более подвижные реакционные формы БеО. Динамика соединений железа соответствует развитию ОВ процессов: максимум содержания БеО и минимум количества Ре203 зафиксировано в период отрицательных значений ОВП. Максимальное восстановление железа на рисовых лугово-болотной и лугово-чернозёмной почвах достигается к фазе цветения растений риса соответственно при ОВП = —127, рН = 7,36 ед., гН2= 10 и ОВП =—167 тУ рН = 7,10 ед., гН2=9. Наибольшее накопление восстановленного железа происходит в верхнем слое почвы 0— 10 см. К периоду наибольшей напряжённости восстановительных процессов (фаза цветения растений) на рисовой лугово-болотной почве соотношение Ре0/Ре203 в слое 0—10 см возрастает до 14,0 с сохранением анаэробной среды в более нижних слоях 10—20, 20-30 и 30-40 см (Ре0/Ре203=3,2; 1,8 и 1,0 соответственно). На рисовой лугово-чернозёмной почве соотношение Ре0/Ре203 в слоях 0—10 и 10—20

см более узкое, равное 2,8 и 2,4 соответственно. С глубиной почвы анаэробные процессы сильно снижаются (Fe0/Fe203=0,07—0,17). В незатапли-ваемых рисовых почвах под многолетними травами преобладает окислительный режим и трансформация соединений железа не выражена.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Литература

1. Гуторова O.A., Шеуджен А.Х. Содержание железа в лугово-чернозёмной почве рисовых полей в условиях Кубани // Плодородие. 2016. № 3 (90). С. 15-18.'

2. Шеуджен А.Х. Железо в питании и продуктивности риса / А.Х. Шеуджен, В.В. Прокопенко, Т.Н. Бондарева, М.Н. Броун. Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2004. 152 с.

3. Ежов Ю. И. Значение восстановительных процессов в почвах при культуре риса // Почвоведение. 1962. № 2. С. 51—57.

4. Шарапов И.Д. Восстановительные процессы в прикорневой зоне риса и влияние их на плодородие почв // Повышение плодородия почв рисовых полей. М.: Изд-во «Наука», 1977. С, 49-70.

5. Лабораторно-практические занятия по почвоведению: учебное пособие / М.В. Новицкий, И.Н. Донских, Д.В. Чернов, A.B. Назарова, С.П. Мельников, H.H. Баева, A.B. Лав-рищев. СПб.: Проспект Науки, 2009. 320 с.

6. Савич В.И. Мелиоративная и агрономическая оценка окислительно-восстановительного состояния почв: учеб. пособие. М.: Изд-во РУДН, 2006. 482 с.

7. Бочко Т.Ф. Окислительно-восстановительные процессы в почвах рисовых полей Кубани / Т.Ф. Бочко, K.M. Авакян, А.Х. Шеуджен, Е.М. Харитонов, И.Д. Черниченко, В.П. Суе-тов. Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2002. 52 с.

8. Николаева С.А. Устойчивость почв дельтовых экосистем в условиях интенсивного орошения (для целей рисосеяния) // Почвоведение. 1995. № 10. С. 1226-1232.

9. Brümmer G. Redoxpotentiale und redoxprozesse von Mangan, Eisen und Sehwefelverbindungen // Geoderma. 1974. Bd. 12. № 3. S. 207-222.

10. Aung Т. Physiological mechanisms of iron toxicity tolerance of lowland rice // Thesis Master Sei. Bonn. 2006. 106 p.