ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ И СОСТОЯНИЕ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ РИСОВОГО АГРОЦЕНОЗА И БОГАРЫ

Шеуджен А.Х.¹, Гуторова О.А.², Зубкова Т.А.³

¹Академик РАН, доктор биологических наук, Всероссийский научно-исследовательский институт риса, ²Кандидат биологических наук, Всероссийский научно-исследовательский институт риса, ³Доктор биологических наук, факультет почвоведения, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

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

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ И СОСТОЯНИЕ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ РИСОВОГО АГРОЦЕНОЗА И БОГАРЫ

Аннотация

Рассмотрены окислительно-восстановительные условия и подвижность соединений железа в лугово-черноземной почве, используемой под посевы риса и богарных культур. Установлено, что соединения железа служат диагностическими признаками состояния гидроморфности лугово-черноземной почвы. В почве рисового агроценоза содержание аморфного железа больше в 1,5-2,0 раза, чем в почве богарных угодий. Развитие элювиально-иллювиального процесса связанно с перераспределением по профилю подвижных форм соединений железа. Этому способствуют более низкие значения окислительно-восстановительного потенциала в профиле почвы под рисом. В условиях богары, расположенной на рисовой системе и не подверженной гидроморфному почвообразованию, из-за низкого содержания подвижного железа растения могут испытывать недостаток в этом элементе.

Ключевые слова: рисовая почва, богара, железо, окислительно-восстановительный потенциал, парциальное давление водорода.

Sheudzhen А.Kh.¹, Gutorova О.А.², Zubkova Т.А.³

¹Academician of Russian of Russian Academy of Science, PhD in Biology, All-Russian Rice Research Institute, ²PhD in Biology, All-Russian Rice Research Institute, ³PhD in Biology, faculty of soil studies, Moscow State University named after M.V. Lomonosov

REDOX PROCESSES AND STATES OF IRON COMPOUNDS IN SOILS OF RICE AGROCENOSES AND BOGHARIC LANDS

Abstract

The article observes redox conditions and mobility of iron compounds in the meadow-chernozem soils used for crops of rice and rainfed crops. It was found that the iron compounds are diagnostic features of hydromorphic state of meadow-chernozem soil. In the soil of rice agrocenosis content of amorphous iron is 1,5-2,0 times higher than that of bogharic lands. The development of eluvial-illuvial process is associated with the redistribution of the mobile forms of iron compounds in the profile. This is facilitated by the lower value of the redox potential in the rice soil profile. In conditions of bogharic land, located on rice system and not subject to hydromorphic soil formation due to low content of mobile iron, plants may lack this element.

Keywords: rice soil, bogharic land, iron, redox potential, partial pressure of hydrogen.

Железо относится к важнейшим элементам, от которого зависит морфология почв, их химические и физические свойства, плодородие. Генезис рисовых почв тесно связан с трансформацией соединений железа и передвижением их в почвенном профиле [1]. Ранее проведенными исследованиями установлено, что в почве рисового агроценоза преобладают процессы оглеения, слитизации и декарбонизации. В условиях богары, на повышенных элементах рельефа, процессы оглеения и выщелачивания отсутствуют. В то же время на пониженных формах рельефа, в почвенном профиле богары, выявлены признаки гидроморфизма и выщелачивания карбонатов, обнаружены реликтовые погребенные горизонты [2]. Целью исследования являлось изучить окислительно-восстановительные (ОВ) процессы и подвижность соединений железа в лугово-черноземной почве, используемой под посевы риса и богарных культур.

Методика исследования. Исследования проведены ФГУ ЭСП «Красное» Красноармейского района Краснодарского края. Объекты исследований ‒ почвенные разрезы, заложенные на лугово-черноземной почве в условиях рисового чека и богарных угодий, расположенных на рисовой оросительной системе (РОС) и за её пределами. Профили почв рисового и богарного участков, приуроченных к повышенным элементам рельефа РОС, характеризуются хорошо выраженной дифференциацией на генетические горизонты: А_пах – А – АВ – В – С. Почвенный профиль участка богары, находящегося в понижениях и за пределами РОС, по своему строению сложный А_пах‒АВ‒В‒[А₁]‒[А₂], так как имеет реликтовые погребенные горизонты [А₁] и [А₂]. Более подробно морфологические особенности изучаемых объектов и почвенно-климатические условия района проведения исследования опубликованы ранее [2, 3].

Аналитическая часть исследования включало определение рН_вод. и окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) потенциометрическим методом; содержания двух- (FeO) и трёхвалентного (Fe₂O₃) подвижного железа в 0,1 n H₂SO₄-вытяжке; аморфного железа по Тамму [4, 5]. Величину парциального давления водорода (rH₂) вычисляли по уравнению: rH₂=Eh (ОВП)/30+2pH [4].

Результаты и обсуждение исследования. Проведенные исследования показали, что в условиях рисового агроценоза двухвалентное железо мигрирует по почвенному профилю и накапливается в нижних горизонтах. Это сказывается на соотношении FeO/Fe₂O₃, увеличивающееся от 0,04 в А_пах до 1,05 в горизонте В, что хорошо согласуется с ОВП, наибольшие показатели которого отмечены в пахотном горизонте. Преимущественное накопление FeO отмечено в горизонте В с резким снижением ОВП с 433 до 312 мВ и rH₂ с 27,3 до 26,5. Это сопровождается развитием слабых восстановительных процессов (табл.1). Такие условия почвообразования привели к снижению содержания FeO в пахотном слое и развитию элювиально-иллювиального процесса.

Таблица 1 ‒ Содержание соединений железа в почве рисового агроценоза и богарных угодий

Примечание: * ‒ не обнаружено.  

Большая роль в подвижности железа принадлежит карбонатам. Участок богары, расположенный на РОС, характеризуется наличием карбонатов и щелочной реакцией в пределах всего почвенного профиля. Это согласуется с морфологическим описанием почвы [2]. Содержание карбонатов, щелочная среда и высокие значения ОВП значительно повлияли на подвижность железа в профиле почвы (табл.). Количество FeO+Fe₂O₃ в пахотном и подпахотном горизонтах почвы не превышало 13,26 и 3,90 мг/100 г соответственно. При этом доля Fe₂O₃ составляла 80 и 68 % от суммы, соотношение FeO/Fe₂O₃ равнялось 0,25 и 0,47 соответственно. Величина rH₂ в верхних горизонтах А_пах и А ‒ 33,3-33,6, в нижних ‒ 29,5. Это свидетельствовало о протекании аэробных процессов при довольно стабильном ОВП, изменяющийся в пределах профиля от 511 до 380 мВ. При этом в нижележащих горизонтах подвижные формы железа не обнаружены (табл.). Это связано с присутствием в почвенном профиле карбонатов, которые оказывают коагулирующее действие на свободные ионы железа и уменьшают его подвижность. Из-за низкого содержания подвижных форм железа растения могут испытывать недостаток в этом элементе.

Более иные ОВ условия складывались в почве богары, расположенной в понижениях и за пределами РОС (табл.). Реакция среды по профилю варьировала от слабокислой в горизонте А_пах до слабощелочной в горизонте В. Наибольшие значения ОВП наблюдались в пахотном слое и уменьшались с глубиной профиля. Доля FeO в профиле почвы не превышала 2-4 % от суммы, соотношение FeO/Fe₂O₃ варьировало от 0,02 до 0,04. Преобладание Fe₂O₃ (96-98 % от суммы) и значения rH₂, равные 27,8-29,2, свидетельствовали о протекании окислительных процессов. В погребенных горизонтах [А₁] и [А₂] содержание подвижных форм железа снижено в 2 раза по сравнению с А_пах. Однако, их количество увеличивалось вслед за вышележащим горизонтом В. Это указывало на то, что погребенная почва сформировалась в гидроморфных условиях. Об этом свидетельствовали их морфологические признаки [2].

Исследования показали, что содержание в почве подвижных форм соединений железа зависят от условий почвообразования и сельскохозяйственного её использования. Участок богары, расположенный за пределами РОС, по содержанию соединений железа в пахотном горизонте почти не различался от рисовой почвы. В то же время в почве богары, приуроченной к РОС, их содержание в 15 раз меньше, чем в почве под рисом. Существенные различия отмечены между двумя богарными участками. Так, в пахотном горизонте почвы богары, расположенной на РОС, содержание FeO и Fe₂O₃ было значительно больше, чем за её пределами.

Распределение аморфного железа по профилю исследуемых участков характеризуется аккумулятивным типом: максимум содержится в верхней части профиля и постепенно уменьшается с глубиной. Наибольшее его содержание в горизонте А_пах отмечено в рисовой почве, а наименьшее ‒ в почве богарных угодий (табл.). Увеличение содержания аморфного железа в рисовой почве 1,5-2,0 раза связано с тем, что под действием периодического затопления идет процесс «расшатывания» минералов, что приводит к накоплению оксидов железа.

Выводы. Содержание в лугово-черноземной почве соединений железа зависят от условий почвообразования и сельскохозяйственного её использования. Они являются диагностическими признаками состояния гидроморфности почвы. В рисовой почве содержание аморфного железа больше в 1,5-2,0 раза, чем в почве богарных угодий. Развитие элювиально-иллювиального процесса связано с перераспределением по профилю рисовых почв подвижных форм соединений железа с последующим осаждением их в нижних горизонтах. Этому способствуют развивающиеся восстановительные процессы. В почве богары, расположенной на РОС и не подверженной гидроморфному почвообразованию, из-за низкого содержания подвижных форм железа растения могут испытывать недостаток в этом элементе.

Список литературы / References

1. ШеудженА.Х. Железо в питании и продуктивности риса / А.Х. Шеуджен, В.В. Прокопенко, Т.Н. Бондарева и др. – Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2004. ‒ 152 с.
2. ШеудженА.Х. Морфологические особенности и изменение магнитной восприимчивости почв рисового агроценоза и богары // А.Х. Шеуджен, О.А. Гуторова, Т.А. Зубкова и др. // Международный научно-исследовательский журнал, 2016. ‒ № 9-3 (51). ‒ С. 133-137. doi: 10.18454/IRJ.2016.51.010
3. Гуторова О.А. Подвижность водорастворимого органического вещества почвы при возделывании риса / О.А. Гуторова, А.Х. Шеуджен, А.Г. Ладатко // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук, 2012. ‒ № 1. – С. 28-30.
4. Практикум по почвоведению / Под ред. И.С. Кауричева. ‒ 3-е изд., перераб. и допол. ‒ М.: Колос, 1980. ‒ 272 с.
5. Теория и практика химического анализа почв / Под ред. Л.А. Воробьевой.‒ М.: ГЕОС, 2006. – 400 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Sheudzhen A.Kh. Zhelezo v pitanii i produktivnosti risa [Iron in rice nutrition and productivity] / A.H. Sheudzhen, V.V. Prokopenko, T.N. Bondareva and others. – Majkop: GURIPP «Adygeja», 2004. ‒ 152 p. [in Russian]
2. Sheudzhen A.Kh. Morfologicheskie osobennosti i izmenenie magnitnoj vospriimchivosti pochv risovogo agrocenoza i bogary [Morphological features and changes in the magnetic susceptibility of soils of rice agrocenosis and bogharic lands]// A.H. Sheudzhen, O.A. Gutorova, T.A. Zubkova and others // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. ‒ 2016. ‒ № 9-3 (51). ‒ P. 133-137. doi: 10.18454/IRJ.2016.51.010 [in Russian]
3. Gutorova O.A. Podvizhnost' vodorastvorimogo organicheskogo veshhestva pochvy pri vozdelyvanii risa [Mobility of Soil Water_Soluble Organic Matter during Rice Cultivation] / O.A. Gutorova, A.Kh. Sheudzhen, A.G. Ladatko // Doklady Rossijskoj akademii sel'skohozjajstvennyh nauk [Reports of Russian Academy of Agricultural Science]. ‒ 2012. ‒ № 1. – P. 28-30. [in Russian]
4. Praktikum po pochvovedeniju [Workshop on Soil studies] / Pod red. I.S. Kauricheva. ‒ 3-e izd., pererab. i dopol. ‒ M.: Kolos, 1980. ‒ 272 p. [in Russian]
5. Teorija i praktika himicheskogo analiza pochv [Theory and practice of chemical analysis of soil] / Pod red. L.A. Vorob'evoj. ‒ M.: GEOS, 2006. – 400 p. [in Russian]