01.09.2017
31.08.2017
08.08.2017
14.07.2017
06.07.2017
19.06.2017
19.06.2017
19.06.2017
15.06.2017
12.06.2017
Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания
 14.09.2012

Биопродуктивность любых экосистем, включая и сельскохозяйственные, теснейшим образом связана с обеспеченностью первичных продуцентов элементами минерального питания. В агроэкосистемах недостаток или несбалансированность питательных веществ в почвах нередко являются лимитирующими факторами получения качественного и щедрого урожая.
Сложность проблемы почвенного питания растений состоит в том, что каждый элемент минерального питания представлен в почве множеством разнообразных химических соединений разного типа и класса. Например, для фосфора известны десятки разнообразных соединений, включая и органоминеральные, различающихся по растворимости, доступности для микроорганизмов и растений и другим показателям. В агроэкосистемах к природным соединениям фосфора добавляются еще и фосфаты минеральных удобрений, а также продукты их превращения в почвах. Все сказанное в равной мере относится ко всем элементам минерального питания.
Такое положение существенно усложняет решение ряда практически значимых задач, важнейшие из которых следующие.
1. Оценка общего содержания доступных для растений форм элементов минерального питания.
2. Оценка доли участия различных форм элемента в минеральном питании растения. В частности, важно знать, какая именно часть почвенных запасов и удобрений при различных сроках и способах внесения участвует в формировании урожая сельскохозяйственных растений, какова роль отдельных элементов органических остатков в питании растений и др.
3. Изучение направленности, масштабов и скоростей трансформации различных соединений элементов минерального питания в почвах, приводящей к изменению их состояния и доступности для растений.
Использование изотопно-индикаторного метода способствовало существенному развитию научных представлении в данных областях и совершенствованию практических приемов применения минеральных удобрений. Причем если первую из перечисленных выше задач решали с известными трудностями без применения метода изотопных индикаторов, то вторую и третью задачи нельзя корректно решить без использования изотопной метки, поскольку необходимо постоянное наблюдение за поведением и превращениями конкретной химической формы элемента минерального питания на фоне множества других химических форм данного элемента.
Только изотопная метка позволяет «выделить» из этого множества конкретное соединение.
Рассмотрим основные методические вопросы решения перечисленных задач.
Оценка содержания доступных форм элементов минерального питания в почвах (задача 1) и раздельный учет их поступления в растения (задача 2). Универсальным способом решения вопроса об обеспеченности почв элементами минерального питания является постановка полевых и вегетационных опытов с различными культурами, сопровождающихся определением структуры урожая и его качества, химическим анализом и диагностикой состояния растений в период вегетации, химическим анализом почвы. Однако данный подход требует значительных затрат времени, сил и средств, поэтому не всегда оправдан.
Кроме того, в условиях почвенной суспензии любой растворимый элемент будет перераспределяться между твердой фазой почвы и почвенным раствором. Это перераспределение зависит от сорбционного сродства данного элемента к твердой фазе почвы. Само явление получило в агрохимической литературе определение вторичное осаждение, или межфазное распределение подвижных форм элемента в почве.
Из-за межфазного распределения содержание элемента в вытяжке всегда будет давать заниженные показатели об истинном запасе изотопно-обменных, т. е. доступных, форм элемента в почве, поскольку в питании растений участвует весь элемент, находящийся в равновесии между твердой фазой почвы и раствором, а не только часть, перешедшая в данных условиях в жидкую фазу.
Устранить многие из указанных ограничений позволяет использование метода изотопных индикаторов.
В основу метода, применительно к данной задаче, положено представление о межфазном распределении и динамическом равновесии подвижной Формы элемента между твердой фазой почвы и почвенным раствором, показанное на рис. 9.1.

Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания

Раствор, в зависимости от конкретной методики, может означать или реальный почвенный раствор, или экстрагент известного состава, которым обрабатывают почву. Следует отметить, что система, изображенная на рисунке, лишь условно может считаться равновесной. Реально в равновесии участвуют несколько различных химических форм элемента, причем время установления равновесия для большинства из них неизвестно. Поэтому в дальнейшем подобную систему будем называть квазиравновесной. Отсюда вытекает и условность деления элемента на доступные к недоступные формы.
Более простой способ, нашедший широкое применение в агрохимической практике, - использование различных вытяжек, экстракций из почв. Содержание элемента, переходящего в тот или иной экстрагент, принимается в качестве доступной для растений формы элемента.
Однако такой способ очень условен и отличается определенными недостатками. Поэтому при решении вопроса о градациях обеспеченности почв тем или иным элементом определяющее значение имеет корреляция между содержанием элемента в той или иной вытяжке и обеспеченностью растений данным элементом по результатам полевого опыта с растениями на конкретной почве.
Развитие этого способа привело к тому, что в разных регионах и странах, даже при работе с похожими почвами, используются различные вытяжки, для каждой из которых существует своя шкала по уровню обеспеченности и содержанию данного элемента в почве. Таким образом, полученные значения концентраций «доступных» форм элемента невозможно использовать для оценки запасов элемента на длительный период, прогноза расхода этого запаса по годам и т. д. Перечисленные ограничения отчасти связаны с тем. что используемые вытяжки существенно искажают распределение химического элемента в почве и реальные химические равновесия между твердой фазой почвы в почвенным раствором. Например, широко используемая в нашей стране для определения подвижного фосфора и калия вытяжка Кирсанова (0,2 н. НСl) создает в почвенной суспензии очень высокий уровень подкисления, не наблюдаемый в естественных условиях. Повышенная кислотность существенно изменяет растворимость и подвижность всех элементов в почве.
Для реализации изотопного метода в квазиравновесную систему вводят меченый элемент в подвижной форме. В зависимости от конкретной методики (см. ниже) можно:
1) вводить метку с ничтожным содержанием носителя, пренебрегая при этом увеличением общего количества подвижного элемента в системе;
2) вводить метку с известным содержанием носителя, т. е. подвижкой формы данного элемента, массу которого следует учитывать в последующих расчетах. Как вариант в систему, которой может являться увлажненная почва, можно вводить меченое удобрение. При этом должна быть известна масса вводимого меченого элемента (Е), а также его общая активность, вводимая в систему (AΣ).
В случае применения стабильных изотопов, например 15N, возможен лишь вариант с введением меченого вещества с известной массой. При этом необходимо знать степень обогащения вводимого вещества. Методику соответствующих расчетов можно найти в специальных руководствах.
После введения меченого вещества в систему, благодаря межфазному перераспределению и динамическому квазиравновесию, метка будет стремиться к равномерному распределению по всей массе доступной формы элемента во всех фазах системы. Критерием такого распределения служит равенство удельных активностей меченого вещества во всех фазах системы, т. е. равенство соотношений.
Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания

где от и aр - активность проб, содержащих подвижный элемент, выделенный соответственно из твердой и жидкой фаз почвы; ет и ер - содержание подвижного элемента в твердой и жидкой фазах.
Дальнейшие определения подвижной формы элемента в системе и расчеты проводят в полном соответствии с методом изотопного разбавления.
Таким образом, во всех вариантах используемого метода критерием «доступности» элемента для растения является его участие в межфазном изотопном обмене в системе «твердая фаза почвы - раствор». Количественное определение доступной формы элемента предполагает установление равновесия (квазиравновесия) изотопного обмена.
Как и в случае использования метода изотопного разбавления, из квазиравновесной системы выделяют какую то часть меченого элемента. Это может быть отфильтрованная или отцентрифугированная часть жидкой фазы - при определении в условиях почвенной суспензии; растение или его часть - при выращивании растения в условиях вегетационного опыта. В выделенной пробе раствора или растения определяют: а) химическое содержание элемента епр; б) активность выделенной пробы апр.
Исходя из предположения о равнораспределении метки в квазиравновесной системе должно соблюдаться равенство соотношений
Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания

где еп = етп + ерп - определяемая величина, равная сумме подвижных форм элемента соответственно в твердой фазе почвы и в растворе; АΣ = ат + ар - заданная суммарная активность, вводимая в систему, распределившаяся между твердой фазой почвы (ат) и раствором (ар); Е* = ет* + ер* - количество введенного в систему меченого элемента в подвижной форме, распределившееся между твердой фазой почвы (ет*) и раствором (ер*); апр, епр - соответственно активность и содержание элемента в пробе.
Для расчета определяемой величины необходимы только крайние соотношения в представленном равенстве. Полученная расчетная формула не отличается от данной выше при описании метода изотопного разбавления
Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания

Если массой вводимого элемента можно пренебречь, то формула еще больше упростится:
Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания

Если эксперимент проводите растением, а меченый элемент вносят в почву в виде меченого удобрения, то возможен раздельный учет поступления элемента питания из почвы и из удобрения. Для этой цели необходимо провести определение содержания элемента и его активности не для произвольно выбранной части растения, а целиком для всего растения (если есть возможность отделения от почвы хотя бы основной части корневой системы).
В данном случае расчет строят на основании очевидных положений:
а) общее содержание элемента в растении еф складывается из количества элемента, поступившего из удобрения (ефу), и количества элемента, поступившего из почвы (ефп)
Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания

б) удельная активность элемента, полученного из удобрения, в растении равна удельной активности элемента в исходной дозе удобрения, внесенного в увлажненную почву
Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания

Из этого соотношения рассчитывается поступление элемента в растение из удобрения
Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания

Полученная величина поступления элемента в растение из удобрения позволяет более точно, по существу, прямым методом оценить важный агрохимический показатель - коэффициент использования удобрения, равный отношению в биомассе сельскохозяйственных растений количества элемента, полученного из удобрения, к дозе удобрения, применяемого на конкретной площади.
Раздельный учет поступления элемента в растение из почвы и из удобрения позволяет с иной точки зрения подойти К расчету содержания подвижного элемента минерального питания в почве. При этом делается допущение, что потенциальная доступность для растений элемента из удобрения и из почвенных запасов мобильных форм одинакова. В этом случае содержание элемента в растении из каждого источника, т. е. из почвы и из удобрения, будет пропорционально содержанию подвижных форм этих элементов в каждом из источников:
Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания

Подстелив в последнее равенство значения ефп и ефу, после простых преобразований получим:
Изотопно-индикаторный метод в исследовании почвенного питания

т. е. приходим к уравнению, аналогичному полученному выше (9.13), только вместо анализа произвольно выбранных проб растения в данном случае определяют содержание элемента и его активность во всем растении. Результат от этого не изменится, поскольку удельная активность меченого элемента будет одинаковой в любой части растения, в то время как общая активность меченого вещества будет различаться.
С помощью изотопно-индикаторных исследований в полевых и вегетационных опытах можно решать задачи, связанные с особенностями поступления элементов из удобрений при разных сроках и способах их внесения, сравнивать эффективность поступления элемента в растения из различных видов удобрений.
К числу основных достижений в данном направлении следует отнести серьезные уточнения значений коэффициентов использования элементов минерального питания из различных видов минеральных и органических удобрений, в первую очередь - азотных и фосфорных. В частности, было показано, что коэффициенты использования озимой пшеницей фосфора из растительных остатков многолетних трав приблизительно в 3 раза превышают коэффициенты использования данного элемента из суперфосфата. Установлена основная причина различий, которая связана с повышенным содержанием всасывающих корней в разлагающихся растительных остатках, поскольку в этих зонах создаются более благоприятные условия для их питания и нормального функционирования.
Кроме этого, существенно усовершенствованы методические подходы к оценке запасов доступных для растений форм азота и фосфора в почвах.
Опыт использования метода изотопных индикаторов в данном направлении позволил выявить также типичные при его применении ошибки и ограничения, на которые следует обратить внимание, поскольку они могут приводить к существенным искажениям результатов.