Агрохимия, 2022, № 12, стр. 55-61

ВВЕДЕНИЕ

Йод является одним из основных элементов в процессе формирования биогеохимического круговорота в системе почва–природные воды–растения–животные–человек. В связи с этим изучение его поведения в объектах природной среды, прежде всего в почвах и растениях, становится все более значимым [1–3].

Важная биологическая роль йода, которую он играет в живых организмах, связана с регулированием этим галогеном скорости обмена веществ в них. Йод входит в состав гормонов щитовидной железы – тироксина и трийодтиронина. Его физиологическая функция в этих гормонах незаменима. Атомы йода в гормонах щитовидной железы участвуют в процессе переноса электронов благодаря переходам их из состояния I⁺ в I^– и обратно [4].

Дефицит йода, так же, как и его избыток, приводит к тяжелым заболеваниям, таким как гипотериоз, эндемический зоб, болезнь Хашимото и другим [2, 5, 6].

Получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур невозможно без использования минеральных удобрений, на долю которых приходится не менее 1/3 прибавки урожая. Более того, применение минеральных удобрений – один из главных факторов эффективного функционирования агроценозов, обеспечивающий активный баланс химических элементов в системе почва–растение. Поэтому необходимо изучение содержания йода в почвах, используемых в полеводстве, на наш взгляд, т.к. регулярно вносимые в почву минеральные удобрения способны влиять на изменение содержания галогена в системе почва–растение.

При оценке значимости того или иного элемента в почвах ценную информацию представляет не только знание его валового содержания, но и концентрация подвижных форм, т.к. растения способны из них поглощать необходимые элементы питания. Тем более, что по величине валового содержания элементов, в том числе и йода, сложно судить об экологической ситуации в агроценозах. По мнению Ильина [7], учет только валового содержания следует признать малопригодным при агрохимической и тем более экологической оценке почв. Это связано с тем, что даже на загрязненных почвах в силу их буферных свойств и защитных функций растений, можно получать чистую продукцию. В этом аспекте большую роль играет изучение водорастворимой формы йода. Согласно критериям, предложенным Покатиловым [8], содержание водорастворимого йода в почвах в диапазоне 0.01–0.03 – низкое, 0.03–0.05 – пониженное, 0.05–0.10 мг/кг – оптимальное. Содержание водорастворимой формы йода в пахотных почвах юга Западной Сибири, варьирующее в интервале от следовых количеств до 0.03 мг/кг, за исключением черноземов, где оно изменяется в диапазоне от 0.03–0.05 мг/кг, можно считать низким и пониженным.

Цель работы – в длительных стационарных полевых опытах оценить изменение почвенного фонда йода в агроценозах лесостепи Западной Сибири.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объектов исследования использованы почвы лесостепной зоны Западной Сибири: серая лесная – северная лесостепь и лугово-черноземная – южная лесостепь. В полевом опыте, заложенном на серой лесной почве в 1988 г. на стационаре ИПА СО РАН (Искитимский р-н Новосибирской обл.), до 2000 г. выращивали овощные культуры в севообороте, а затем картофель бессменно. В исследовании рассматривали контрастные варианты данного опыта: без удобрений, NP и NPK. Удобрения вносили в форме N_aa, P_сд и К_х ежегодно с учетом потребности выращиваемой культуры. Закладку и проведение опытов осуществляли по общепринятой методике. Повторность опытов четырехкратная.

Полевой опыт на лугово-черноземной почве был заложен более 40 лет назад (в 1978 г.) на стационаре СибНИИСХоза (Омский р-н Омской обл.). На одном из полей 8-польного севооборота в большинстве лет выращивали многолетние и однолетние травы и травосмеси, на другом – зерновые и однолетние кормовые культуры. Повторность опытов также трех–четырехкратная. Рассматриваемые в данном исследовании варианты опыта: без удобрений и вариант NP. Калийные удобрения из-за высокого содержания калия в почве не использовали (содержание обменного калия >60 мг/100 г). Побочную продукцию – солому при уборке зерновых разбрасывали по полю.

Агрохимический анализ почв проведен по стандартным методикам. Определяли pH – потенциометрическим методом, гранулометрический состав – по Качинскому, гумус – по Тюрину, валовой йод – кинетическим роданидно-нитритным методом по Проскуряковой [9]. Для определения водорастворимой формы йода использовали водную вытяжку в соотношении почва : вода = 1 : 4 и временем взаимодействия 4 ч с последующим центрифугированием. Растительные образцы на содержание йода также проанализированы по известной методике [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Общая картина урожайности культур за годы исследования сложилась таким образом, что во всех вариантах без удобрений урожайность была заметно меньше, чем в вариантах с удобрениями (табл. 1), что было вполне ожидаемо. Очевидно, что в вариантах без удобрений сформировался глубокий отрицательный баланс всех питательных веществ, что негативно отразилось на эффективном плодородии почвы и урожайности культур. Например, в варианте NP на серой лесной почве урожайность была меньше, чем в варианте NPK на 35%, что указывало на то, что сбалансированное внесение минеральных удобрений существенно повышало урожайность культур.

Урожайность культур в кормовом и зернотравяном севооборотах в вариантах NP на лугово-черноземной почве за годы наблюдений превышала вариант без удобрений соответственно в 1.36 и 1.50 раза, что также подтверждало роль минеральных удобрений. При этом в кормовом севообороте было внесено больше фосфора в 1.4 раза, а в зернотравяном было внесено больше азота в 1.1 раза. Полученные данные урожайности культур свидетельствовали о том, что такое различие во внесенных дозах азота и фосфора не оказало заметного влияния на урожайность культур в удобренных вариантах. Продуктивность культур за длительный период проведения опытов в вариантах без удобрений как в кормовом, так и зернотравяном севооборотах составила 34–37 ц/га, а при внесении NP-удобрений – 53–55 ц к.е./га, что еще раз подчеркнуло их значимость.

Несмотря на малые количества по абсолютной величине выносимого урожаями йода, его многолетний отрицательный баланс также может привести к дефициту элемента в интенсивных агроценозах. По нашим данным, содержание йода в клубнях картофеля на серой лесной почве за годы наблюдений составило в варианте без удобрений 0.040–0.042, в варианте NP – 0.041–0.043, в варианте NPK – в 2 раза больше (0.089 мг/кг). Другими словами, в первых 2-х вариантах содержание йода в растениях соответствовало уровню содержания водорастворимого йода в почве. Полученные результаты в 3-м варианте свидетельствовали о том, что сбалансированное по удобрениям питание картофеля способствует увеличению содержания йода в клубнях в количестве, превышающем концентрацию водорастворимого йода в почве.

Содержание галогена в ботве (нетоварной части урожая) за годы наблюдений в вариантах без удобрений и NP находилось примерно на одном уровне с клубнями (соответственно 0.043 и 0.044 мг/кг). В варианте NPK его содержание резко возросло до 0.112 мг/кг. Полученные данные свидетельствовали о более активном поглощении йода зеленой массой растений в сравнении с клубнями. Можно предположить, что увеличение концентрации легкорастворимых солей (KCl) в варианте NPK усиливало доступность йода почвы. Кроме того, все приведенные данные указывали и на то, что в питании растений принимают участие и другие подвижные формы галогена, в частности солерастворимая.

Исходя из полученных данных, можно говорить о том, что в надземной части растений более высоким содержанием йода характеризуются листья. Согласно данным [10], в опытах с изотопом ¹²⁵I органы и части растений овса можно расположить в следующий убывающий ряд: стебли–листья–метелки. В другом опыте в обычных условиях, без применения йодистых соединений показано, что в распределении йода по органам овса наблюдали похожую закономерность: корни–листья–стебли–зерно [11]. По мнению Кашина [11], различия в содержании йода по органам растений обусловлены высокой избирательной способностью клеточных мембран, расположенных на границе раздела органов, к пропусканию различных ионов и молекул. А на границе корень–стебель существует наиболее сильный физиологический барьер. Считая данное предположение вполне допустимым и логичным, хотелось бы высказать еще одно предположение, связанное с плотностью среды, в которой перемещаются анионы йода. Чем большей плотностью обладает среда, тем в ней, по-видимому, активнее закрепляются и труднее перемещаются анионы йода. Поэтому в орошаемой лугово-черноземной почве, где плотность среды несколько меньше, следовательно, йод, вероятно, активнее поступает в листья, чем на серой лесной почве. Уменьшение доступности йода растениям может быть обусловлено фиксацией его почвой и снижением потребности растений в элементе в процессе их развития.

Длительное сельскохозяйственное использование серой лесной и лугово-черноземной почв в полевых опытах естественно оказало свое влияние на некоторые физико-химические свойства (табл. 2). Известно, что содержание йода в почвах контролируется в основном несколькими факторами: содержанием гумуса и илистой фракцией, реакцией почвенной среды и водным режимом. В нашем исследовании было выявлено, что наибольшей способностью к поглощению йода обладает гумусовый горизонт, а более слабой – нижние горизонты, что было вполне ожидаемым, т.к. йод связывается ими преимущественно по механизму сорбции [12]. Полученные в данном исследовании результаты наглядно подтвердили это как на примере лугово-черноземной, так серой лесной почв. Во всех вариантах содержание гумуса и валового йода было больше в слое 0–20 см, при этом диапазон изменения содержания гумуса был более значителен, чем содержание валового йода (табл. 2).

Гумусовое вещество содержит ≈15 различных видов функциональных групп [13], из которых наиболее важными для взаимодействия с йодом являются гидроксильные, карбоксильные, карбонильные, фенольные и аминогруппы. Гидроксильная группа карбоновых кислот легко замещается анионом йода с образованием галоидангидридов кислот, ненасыщенные карбоновые кислоты реагируют с йодом по двойной связи. Фенол и его производные взаимодействуют с йодом весьма активно, т.к. водород гидроксильной группы очень подвижен.

При взаимодействии ароматических соединений с галогенами они связываются наиболее прочно при внедрении в бензольное кольцо. Ароматическая составляющая фульвокислот заметно меньше (26%), чем у гуминовых кислот (39%) [14]. Кроме того, повышенное содержание кислорода в фульвокислотах (до 45–50%) в сравнении с гуминовыми кислотами (до 32–38%) [13] должно, по нашему мнению, препятствовать их взаимодействию с йодом из-за возможного электростатического отталкивания между отрицательно заряженными анионами кислорода и йода.

Минеральные компоненты почвы реагируют с йодом по механизмам сорбции, окклюзии, реакциям комплексообразования и обмена. Но по способности концентрировать йод они уступают органическому веществу, т.к. сорбции может сопутствовать десорбция, а химическому взаимодействию – различные параллельные реакции.

Содержание гумуса в изученной лугово-черноземной почве в результате многолетнего сельскохозяйственного использования изменилось незначительно, что по-видимому, было связано с большой долей орошаемых многолетних трав и других кормовых культур в структуре посевов и как следствие – поступлением в нее большого количества корневых и пожнивных остатков. Что касается серой лесной почвы, то в этом случае ситуация складывалась иначе. В сравнении с вариантом целины в вариантах без удобрений, NP и NPK произошло заметное снижение содержания гумуса, что по нашему мнению, связано с длительной минерализацией органического вещества почвы при небольшом поступлении растительного материала.

Содержание физической глины и илистой фракции в профиле исследованных почв изменялось незначительно. В исходной серой лесной почве (вариант целины) содержание физической глины составляло 30.8%, а в остальных вариантах оно было несколько больше. Другими словами, отмечена некоторая слабая тенденция к утяжелению ее гранулометрического состава.

В лугово-черноземной почве в варианте целины содержание физической глины в слое 0–20 см было чуть больше, чем в вариантах современной почвы без удобрений. В вариантах NP ее содержание повысилось более заметно. Таким образом, в этой почве также произошло небольшое утяжеление гранулометрического состава.

Что касается содержания илистой фракции, то во всех вариантах в слое 0–20 см оно практически было одинаковым (12.8–13.8%), но в слое 20–40 см оно было значительно больше по абсолютной величине, а диапазон изменения был такой же незначительный – от 20.1 до 20.8%.

Некоторое утяжеление гранулометрического состава пахотного слоя почв происходило, как мы полагаем, за счет интенсификации процессов дробления мелкопесчаной фракции, кроме того, в лугово-черноземной почве этому возможно способствовало и многолетнее орошение. Необходимо также отметить, что активная сорбция йода была характерна для горизонтов, обогащенных тонкодисперсными частицами, а также оксидами и гидроксидами алюминия и железа и карбонатных горизонтов [15, 16].

Реакция почвенной среды серой лесной почвы в варианте без удобрений была примерно такой же, как в варианте целины: соответственно от 7.1 до 7.3. В вариантах NP и NPK величина pH была чуть ниже за счет систематического внесения удобрений (табл. 2).

Что касается лугово-черноземной почвы, то в исходном варианте целины pH был чуть более кислым в сравнении с серой лесной почвой, в остальных вариантах величина pH была почти аналогичной pH серой лесной почвы.

Различия в водном режиме изученных почв было связано с периодическим промывным режимом в серой лесной почве и влиянием поливных и грунтовых вод в лугово-черноземной почве. Кроме того, во время дождей бóльшая часть йода смывается именно дождевыми потоками.

В целом поведение йода в почве зависит от его химических форм и свойств почвы [17, 18], а мобильность галогена – от величины рН, типа почвы и ионного состояния [19]. Таким образом, наши исследования находятся в тренде с зарубежными работами.

Содержание валового йода в лугово-черноземной почве было изначально больше, чем в серой лесной почве, примерно в 4 раза, что обусловлено как повышенным содержанием гумуса в нем, так и физической глины. Давно экспериментально установлено, что гуминовые кислоты способны концентрировать до 88% йода, а фульвокислоты – только 12% [20].

Несмотря на большое число возможностей йода быть связанным различными компонентами почвы, в реальности его концентрация в почвах самая низкая среди галогенов. Это связано с устойчивостью аниона I₃, которая намного больше, чем у остальных галогенов, к тому же большинство реакций с участием йода являются эндотермическими [21]. Необходимо также отметить, что многочисленными экспериментами установлено, что органическое вещество активно и прочно связывает йод [22], вследствие чего поток элемента в растения может быть значительно ослаблен.

По нашему мнению, для объективной оценки складывающейся ситуации по действию различных химических элементов, содержащихся в почве, на выращиваемую продукцию, необходимо изучить концентрацию их подвижных форм. Ведь именно подвижные формы формируют геохимическую ситуацию и обеспечивают поток химических элементов в растения и далее в животных и человека. В то же время стоит отметить, что подвижные формы не могут быть полностью освоены растительностью. Существует ряд процессов, препятствующих этому, такие как реакции образования труднорастворимых и комплексных соединений с участием изученного элемента, защитные возможности самого растения и свойственная ему избирательность в поглощении химического элемента. Помимо защитных механизмов в растениях работает и механизм избирательного отношения к ионам, который обеспечивает более интенсивное поглощение дефицитного элемента и активное задержание избыточных. За счет этих, параллельно идущих процессов в растениях поддерживается необходимый элементный химический состав. Вот почему очень важным является изучение подвижных форм галогена и, прежде всего, водорастворимой формы.

Несмотря на довольно значительное различие в содержании валового йода в лугово-черноземной почве и серой лесной, содержание водорастворимой формы йода в них следует отнести к низким и пониженным по градации Покатилова. Только в вариантах целины обеих почв отмечено оптимальное содержание водорастворимой формы йода – 0.05 мг/кг, при этом в лугово-черноземной почве – в слое 0–20 см, а в серой лесной – в слое 20–40 см. По-видимому, это было связано с особенностями водного режима почв. Еще в 2-х случаях отметили оптимальное содержание водорастворимого йода: в варианте NP в слое 0–20 см лугово-черноземной почвы и в варианте без удобрений в слое 20–40 см. Выявленное низкое содержание водорастворимого йода в почве могло свидетельствовать и о незначительном содержании галогена в выращиваемых сельскохозяйственных культурах.

Рассчитав коэффициенты корреляции и детерминации между содержанием гумуса и валового йода, получили следующие результаты: для серой лесной почвы r = 0.57 и 0.32, для лугово-черноземной – r = 0.37 и 0.14. Коэффициенты корреляции (r) и детерминации (d_ух) между следующими показателями гумус–водорастворимый йод оказались равными для серой лесной почвы – 0.29 и 0.08, для лугово-черноземной почвы – 0.36 и 0.13. Величины r и d_ух между содержанием физической глины и валового йода оказались равными для первой почвы – 0.54 и 0.29, для второй – 0.44 и 0.19. В целом корреляционная зависимость между признаками была средней. Это было ожидаемым, т.к. содержание галогена было достаточно низким, особенно водорастворимого йода, кроме того, имелось много факторов, влияющих на его содержание; доля тех изменений, которые зависели от изученного фактора, была более выражена в серой лесной почве.

В целом исследование показало, что снижение в почве уровня доступного для растений йода было прямо пропорционально продуктивности агроценозов, соответствующим образом нарастал и йодный дефицит. Известно, что основной источник поступления йода в почву – атмосфера, содержание галогена в которой определяется близостью к океану [3]. В этой связи масштабы и сама вероятность поступления йода во внутриконтинентальные регионы достаточно неопределенны. Несмотря на малые абсолютные количества выносимого урожаями йода, его многолетний отрицательный баланс может привести к дефициту этого микроэлемента в интенсивных агроценозах, что обусловливает очевидную необходимость мониторинга его содержания как в почвах, так и в растительной продукции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование, проведенное в многолетних стационарных полевых опытах на серой лесной и лугово-черноземной почвах в лесостепной зоне Западной Сибири, показали, что длительное сельскохозяйственное использование почв может существенно влиять на почвенный фонд йода.

Полученные результаты демонстрировали отчетливую зависимость между содержанием валового йода в почве, с одной стороны, и ее гумусированностью и гранулометрическим составом, с другой. В целинном состоянии более тяжелая и гумусированная лугово-черноземная почва содержала валового йода в 3–4 раза больше, чем целинная серая лесная почва. В то же время уровень содержания водорастворимого йода в обеих целинных почвах практически не отличался и находился на оптимальном уровне – 0.05–0.06 мг/кг.

Многолетнее сельскохозяйственное использование почв, как экстенсивное, так и интенсивное, слабо отразилось на содержании валового йода в пахотном и подпахотном почвенном слоях. При этом в интенсивных агроценозах с повышенной урожайностью выращиваемых культур содержание водорастворимого йода в верхних почвенных слоях существенно снизилось (на 50% и более), свидетельствуя о переходе исследованных почв в класс низкообеспеченных этим микроэлементом. В этой связи в интенсивном земледелии дополнительный контроль уровня йода в почвах и растениях является целесообразным.