Мониторинг йода в системе «почва - растение» (обзор)

Введение. Йод относится к эссенциальным микроэлементам и играет важную биологическую роль в жизни живых организмов. Галоген входит в состав тироксина и трийодтиронина и регулирует скорость различных биохимических реакций. Недостаток или избыток йода в организме приводит к возникновению эндемических заболеваний [1, 2].

Почва является основным источником снабжения растений йодом. В разных типах почв концентрация микроэлемента определяется направленностью и интенсивностью почвообразовательного процесса, климатом, биологическим круговоротом элементов с процессами миграции и неоднородностью видового состава растительности. В большинстве почв наблюдается недостаток йода [3, 4], уменьшаются темпы поступления их в растениеводческую продукцию и возникает проблема их статуса у населения и животноводческой отрасли. Одним из наиболее рациональных и экологически безопасных путей оптимизации йодного статуса населения является применение йодных микроудобрений.

Цель исследования. Определение уровней содержания йода в системе «почва – растение».

Особенности содержания йода в почвах и растениях. Почва . Йод относится к подгруппе галогенов, являющихся самыми активными в химическом отношении неметаллами. Геохимия йода в ландшафте определяется водной и воздушной миграцией и интенсивным участием элемента в биологическом круговороте.

В природе йод образует незначительное количество самостоятельных минералов. К наиболее распространенным минералам относятся йодиды металлов, полигалиды, йодаты и пе-риодаты [5]. Йод является постоянной составной частью всех изверженных осадочных пород [6]. Осадочные породы больше содержат йода, чем магматические. Особенно высоким содержанием йода характеризуются органогенные морские донные отложения. Для соединений йода характерна высокая растворимость в воде и большая летучесть.

По данным А.Х. Шеуджена [5], основным источником поступления йода на континенты являются океаны, откуда галоген поступает в атмосферу и через нее попадает в почву и растения. Концентрация микроэлемента в экосистеме зависит от рельефа местности. Чем выше рас- положена территория над уровнем моря, тем меньше в почвах, породах и растениях содержится йода.

В атмосфере микроэлемент находится в форме органических соединений, йодидов и свободного йода. Между ними происходят постоянные превращения, оказывающие значительное влияние на соотношение и его баланс в природе. Формирование газообразных форм йода и его активная миграция являются одним из наиболее важных звеньев биогеохимического цикла этого микроэлемента [6]. При оценке валового содержания йода в почвах России используют следующие градации: <5,0 мг/кг – недостаточное содержание, 5,1–40,0 – нормальное, >40,0 мг/кг – избыточное [7]. Для оценки водорастворимой формы йода предложены критерии, разработанные Ю.Г. Покотиловым [8]: 0,011–0,03 – низкое содержание, 0,03–0,05 – пониженное, 0,05– 0,1 мг/кг – оптимальное.

Поведение йода в структуре почвенного покрова определяется химическими свойствами самого элемента и плодородием почв. Среди разных факторов, влияющих на поведение и аккумуляцию йода в почвах, важную роль играет органическое вещество. Для всех типов характерна общая закономерность: чем больше в почве гумуса, тем выше в ней содержание йода [5]. В составе гумуса гуминовые кислоты в два раза больше содержат йода в сравнении с фульфокислотами [9].

Реакция почвенного раствора определяет степень подвижности и уровень накопления йода в почвах. В кислых подзолистых и серых лесных почвах отмечается самое низкое содержание йода. При насыщении кислых почв соединениями железа и марганца летучесть и потери йода из них возрастают. Щелочные почвы обладают свойствами переводить ионы йода в связанное состояние и накапливать его в значительных количествах. Максимальное количество йода (33 мг/кг) обнаружено в верхних горизонтах солончаков, что связано с их формированием в пониженных элементах рельефа, являющихся конечными пунктами трансгрессии солей [4].

Количество йода в почвах зависит от их гранулометрического состава. Аккумуляция галогена более активно выражена в почвах глинистого и тяжелосуглинистого состава и значительно слабее в супесчаных и песчаных [10]. С увеличением содержания илистой фракции количество в них йода увеличивается. По данным В.К. Кашина [6], это обусловлено тем, что в состав илистой фракции в основном входят глинистые минералы, обладающие большой поглотительной способностью.

У геохимии йода есть общие черты с геохимией легкорастворимых солей. Почвы, обогащенные легкорастворимыми солями, характеризуются повышенной фиксирующей способностью и препятствуют миграции йода в нижележащие горизонты [4]. Наличие карбонатного барьера и щелочная реакция среды уменьшают подвижность микроэлемента в почвах и образуют большое количество труднорастворимых соединений йода [5, 11]. Промывной и периодически промывной водный режим усиливает миграцию микроэлемента по профилю почв.

По данным А.Х. Шеуджена [5] в земной коре содержится 0, 00004 % йода. Среднее содержание йода в почвах на территории бывшего СССР колеблется в пределах 0,2–12,0 мг/кг. Кларк йода в почвах в среднем составляет 5 мг/кг. Уровень содержания, подвижность, аккумуляция и миграция йода тесно связаны со свойствами почв, составом почвообразующих пород, особенностями растительного покрова, климата, геоморфологии и гидрологического режима ландшафтов региона. В черноземах обыкновенных Воронежской области валовое содержание йода в верхнем горизонте колеблется от 4,8 до 5,0 мг/кг и заповедных территорий региона – 4,1–6,5 мг/кг [11]. Эти черноземы лучше обеспечены йодом в сравнении с выщелоченными и оподзоленными подтипами.

Содержание йода в пахотном горизонте дерново-подзолистой, аллювиально-дерновой и торфяно-болотной почв Калининградской области колеблется от 1,20 до 4,28 мг/кг. Концентрация йода в гумусово-аккумулятивных горизонтах зависела от их гранулометрического состава, состава почвообразующих пород, гумусированно-сти и окислительно-восстановительного потенциала [12].

В условиях Краснодарского края варьирование содержания йода в почвах находится в пределах 0,4–11,0 мг/кг, что обусловлено особенностями почвообразовательного процесса на Северном Кавказе [5]. Среди разных почв наиболь- шая их обеспеченность йодом отмечается в черноземах и каштановых почвах Тамани. Наименьшее количество йода наблюдается в горнолесных и серых лесных почвах предгорной зоны края.

В регионах Западной и Восточной Сибири, отличающихся в геоморфологическом и геохимическом отношении, содержание йода в почвах характеризуется большим разнообразием. На возвышенных территориях Забайкалья наблюдается низкое валовое содержание йода в почвах - 0,5-2,9 мг/кг [6]. В черноземах и каштановых почвах Тувинской горной области содержание йода колеблется от 1,5 до 2,5 мг/кг, горно-лесных бурых и горно-лесных черноземовидных - 1,5-2,0 мг/кг [13]. В большинстве почв биогенная аккумуляция йода отсутствует и отмечается увеличение его концентрации вниз по профилю.

В Республике Алтай наблюдаются значительные колебания йода в почвенном покрове - от 0,40 до 0,86 мг/кг в горно-дерновых почвах до 2,43-5,05 мг/кг в черноземах выщелоченных [4]. В условиях Кемеровской области среднее содержание йода в черноземах выщелоченном и обыкновенном равнялось 2,17 мг/кг [14]. В серых лесных почвах разных районов юга Западной Сибири валовое содержание йода было примерно одинаковым и составляло 1,4–3,0 мг/кг [15]. Распределение йода по профилю почв в основном определялось содержанием гумуса, илистой фракции и химическими свойствами галогена [16]. Введение целинных земель в сельскохозяйственный оборот уменьшало содержание йода в почвах.

В разных природных зонах Западной Сибири почвы характеризуются неодинаковым содержанием йода [7, 17–19]. Наименьшее количество йода отмечается в почвах тундры и лесотундры, в них концентрация элемента колеблется от следовых значений до 0,65 мг/кг. Подзолистые и дерново-подзолистые почвы средней и южной тайги, серые лесные северной лесостепи содержат значительно больше йода (0,36–2,59 мг/кг). Среди зональных почв лесостепной и степной зон региона наибольшей концентрацией йода характеризуются черноземы (5,71 мг/кг). В интра-зональных почвах самое высокое содержание галогена отмечается в солончаках и солонцах (8,52-31,0 мг/кг) и низкое в солодях (1,39 мг/кг).

Водорастворимая форма йода является важным источником питания растений. По данным А.Х. Шеуджена [5], водорастворимый йод может составлять до 50 % от валового количества. Наибольшее количество этой формы йода отмечается в верхнем горизонте почв, уменьшаясь вниз по профилю. В большинстве почв Западной Сибири отмечается пониженное содержание водорастворимой формы йода [7]. Черноземы и серые лесные почвы лесостепной зоны характеризуются оптимальным содержанием микроэлемента (0,08– 0,09 мг/кг). Наиболее высокое содержание водорастворимой формы йода (4,1 мг/кг) наблюдается в солончаках.

Ближайшим резервом для питания растений служат формы йода, извлекаемые из почвы растворами кислот и щелочей. Йод, находящийся в минералах после их разложения, становится доступным для растений. После минерализации органического вещества в почве повышается содержание микроэлемента и увеличивается его доступность для растений. Содержание солерастворимой формы йода в почвах Западной Сибири (луговая карбонатная, буроземы, литоземы) варьирует от 0,02 до 0,98 мг/кг [20]. Под влиянием почвенных микроорганизмов происходит растворение почвенного йода из труднорастворимых соединений в усвояемые и повышается доступность галогена растениям.

Растения. Йод участвует во многих физиологических и биохимических процессах и оказывает большое влияние на элементный состав и продуктивность растений. В растениях йод находится в составе белков и аминокислот в виде свободных ионов, что и определяет пути участия в их метаболизме. Под влиянием йода улучшается углеводный, азотный, водный обмен растений, интенсивность ростовых процессов и фотосинтетической деятельности [6]. Йод оказывает положительное влияние на количество и качественный состав аминокислот, отношение белкового азота к небелковому, повышает устойчивость полевых культур к неблагоприятным факторам внешней среды.

Основным источником поступления йода в сельскохозяйственные растения является почва. В период вегетации растения характеризуются неодинаковым содержанием йода. Наибольшее его количество наблюдается в начале вегетации растений и уменьшается перед убор- кой урожая сельскохозяйственных культур [5]. Основными факторами накопления йода в растениях являются уровень содержания подвижной формы элемента в почве и биологические особенности сельскохозяйственных культур.

Растения характеризуются неодинаковым содержанием йода. Среднее содержание йода в растениях колеблется от следовых количеств до 2,50 мг/кг сухого вещества. У кормовых растений наибольшее количество йода концентрируется в корнях и корневищах. Листья характеризуются более высоким содержанием йода в сравнении со стеблями [6]. У растений семейства бобовых содержание йода в 2–3 раза больше, чем в капусте, картофеле и турнепсе. В продуктивной части урожая зерновых культур йода накапливается в 2–11 раз меньше, чем в соломе [6, 21].

По данным В.В. Ковальского, Ю.М. Раецкой, Т.И. Грачева [22], содержание йода в сочных кормах таежной зоны составляет 0,068–0,105 мг/кг, лесостепной – 0,059–0,088 мг/кг и степной – 0,098–0,233 мг/кг сухого вещества. На юге Западной Сибири содержание йода в кормовых травах на черноземах и лугово-черноземных почвах равно 0,3–0,14 мг/кг, в солонцах – 0,15–0,16 мг/кг [4]. Среднее содержание йода в кормовых растениях Республики Бурятия равно 0,11 мг/кг, обеспеченность животных этим элементом составляет 10– 25 % [6]. Содержание йода в растениях на почвах с высоким содержанием подвижной формы элемента может достигать 28 мг/кг сухого вещества. При такой концентрации микроэлемента создаются фитогеохимические аномалии галогена в полевых культурах [4]. В агроценозах Красноярского края содержание йода в зеленых кормах колеблется от 0,040 до 0,141 мг/кг, сене злаковых и бобовых трав – 0,77–0,208 мг/кг, кормовом зерне – 0,070–0,154 мг/кг [23]. В кормовых культурах Кемеровской области содержание йода варьирует в пределах от 0,03 до 0,70 мг/кг [14]. Содержание микроэлемента в кормовых растениях менее 0,1 мг/кг сухого вещества является критически низким, 0,1–0,2 – нормальным и 0,8 – 2,0 избыточным. МДУ йода в различных кормах для сельскохозяйственных животных колеблется в пределах 2–5 мг/кг [24].

В растениях многих регионов страны наблюдается дефицит йода. Одним из наиболее эффективных способов оптимизации питания сельскохо- зяйственных культур в земледелии является применение йодных удобрений. В условиях Западной Сибири внесение йодных удобрений способствует повышению всхожести семян, улучшает развитие растений и увеличивает урожайность яровых зерновых культур [6, 25–27]. В земледелии Калининградской области некорневая подкормка растений йодными удобрениями повышала урожайность маслосемян озимого рапса [28]. На Кубани предпосевная обработка семян риса йодными удобрениями улучшает посевные качества семян, выход белка, крахмала и повышает урожайность зерна на 3,27–3,72 ц/га [29].

Заключение . В результате анализа литературных источников установлены общие закономерности содержания йода в почвах и растениях. Концентрация микроэлемента в агроценозах зависит от условий почвообразования, свойств почв, состава почвообразующих пород, количества подвижной формы, климата, техногенных факторов, биологических и видовых особенностей растений. На почвах с дефицитом микроэлемента для оптимизации питания растений, улучшения элементного состава и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур необходимо применение йодных микроудобрений.