АГРОХИМИЯ, 2015, № 6, с. 19-24
Питание растений
УДК 544.344:581.133.8
ИОНИТНЫЕ СУБСТРАТЫ ДЛЯ РАСТЕНИЙ НА ОСНОВЕ СИЛЬНОДИССОЦИИРУЮЩИХ ИОНИТОВ
© 2015 г. В.С. Солдатов, О.В. Ионова, С.Ю. Косандрович
Институт физико-органической химии Национальной академии наук Беларуси 220072 Минск, ул. Сурганова, 13, Республика Беларусь E-mail: soldatov@ifoch.bas-net.by
Поступила в редакцию 03.02.2015 г.
Установлено, что продуктивность на ионообменном субстрате на основе сильнодиссоциирующих ионитов при культивировании злака Loliumperenne была в 5.8 раза больше при поливе слабоминерализованной водой, чем дистиллированной. При этом концентрация основных биогенных ионов в первом случае оставалась постоянной на уровне минерализации поливной воды, во втором -уменьшалась от 0.447 до 0.003 мэкв/дм3. Основной причиной низкой продуктивности субстрата при поливе дистиллированной водой являлось незначительное содержание биогенных ионов и обеднение субстратного раствора двухвалентными катионами за счет эффекта электроселективности ионного обмена. Рекомендовано при культивировании растений на субстратах этого типа использовать при поливе воду с достаточной степенью минерализации.
Ключевые слова: ионитные субстраты, растения, сильнодиссоциирующие иониты, степень минерализации поливной воды.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что плодородие ионитных субстратов при поливе деионизованной водой уменьшается при длительном выращивании на них растений [1-7]. Это уменьшение значительно превышает ожидаемое, исходя из запаса биогенных ионов в ионитных субстратах. Исследователи объясняют его разными причинами: быстрым истощением калия в субстратах, приводящим к его дефициту [2, 3, 6]; блокировкой поверхности ионитов метаболитами растений [8, 9]; токсическим действием метаболитов, накапливающихся в субстрате при выращивании растений в монокультуре [9]. Исходя из этого, были предложены различные варианты минимизации этого эффекта: добавление небольшого количества нитрата калия в поливочную воду [4, 8]; выращивание растений в севообороте [8]; добавление карбоната кальция в ионитный субстрат [10]; применение клиноптилолита в качестве добавки или носителя биогенных катионов [4, 10, 11]; обработка используемого субстрата раствором перекиси водорода для окисления метаболитов [7]. В каждом из перечисленных случаев наблюдали положительный эффект, истолкованный по-разному. Авторы данной статьи полагают, что уменьшение плодородия ионообменных субстратов в процессе их использования, помимо перечисленных причин, обусловлено еще одним явлением, не рассматри-
ваемым до сих пор: смещением ионообменного равновесия в системе субстрат-субстратный раствор, сопряженного с гидролизом некоторых ионных форм ионитов - компонентов субстрата. Цель работы - с помощью химических и биологических экспериментов исследовать это явление и предложить рекомендации для минимизации его влияния на рост растений.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Вымывание биогенных ионов из ионитов дистиллированной водой происходит за счет их гидролиза, минерализованной водой - в основном за счет ионного обмена с ионами, присутствующими в воде. В связи с этим в данной работе было проведено сравнение вымывания ионов из ионит-ного субстрата при контакте с дистиллированной и слабоминерализованной водой, в качестве которой была взята водопроводная вода г. Минск, имеющая ионный состав, типичный для артезианских и поверхностных вод (общая концентрация ~5 мэкв/дм3). Параллельно изучен рост тест-растения - злака Lolium perenne L. на ионитном субстрате при поливе дистиллированной и слабоминерализованной водой.
Ионообменный субстрат получали путем смешивания моноионных форм сильнокислотного катионита КУ-2 и сильноосновного анионита
АВ-17 в таких пропорциях, чтобы ионный состав смеси соответствовал следующему составу питательного раствора по макрокомпонентам (мэкв/дм3): K+ - 9.00, Са2+ - 6.40, Mg2+ - 1.96, NO3- - 13.40, SO42- - 1.96, Н2РО4/НРО42- - 2.00. Общая ионная концентрация - 17.36 мэкв/дм3, рН 6.5.
Моноионные формы сульфостирольного ка-тионита КУ-2 получали путем его обработки избытками раствора КОН и водными суспензиями СаО и MgО. Полученные моноформы отмывали дистиллированной водой: катионит в Са2+-форме - до рН 5.1, в Mg^-форме - до рН 7.3, в К+-форме - до рН 6.4. Моноформы сильноосновного анионита АВ-17 с бензилтриметиламмоние-вой группой (в исходной ОН-форме) получали нейтрализацией азотной, серной и фосфорной кислотами с последующей отмывкой до рН 5.5 в NO3- и SO^-формах и до рН 5.2 - в Н2РО4-форме. Моноионные формы абсолютно сухих ионитов смешивали в следующих соотношениях (масс. %): КУ-2 (К+ - 12.0, Са2+ - 71.0, Mg2+ - 17.0), АВ-17 (NO3- - 37.5, SO42- - 57.3, Н2РО4/НРО42- -5.2). Полученный ионообменный субстрат имел следующий состав (в мэкв/дм3): К+ - 0.256, Са2+ -1.650, Mg2+ - 0.411, NO3- - 0.753, SO42- - 1.217, Н2РО4- - 0.091.
Нехлорированная водопроводная вода, использованная в экспериментах, имела следующий состав (в мэкв/дм3): Na+ - 0.456, К+ - 0.221, Са2+ -
2.74, Mg2+ - 1.23, NO3- - 0.176, SO42- - 0.466, Н2РО4- - 0.010, Cl- - 1.20, СО32- - 0.350, НСО3- -
3.75.
Концентрацию макроионов определяли с помощью ионного хроматографа Dionex ICS-3000. Концентрацию карбонатов и гидрокарбонатов определяли последовательно в одной и той же пробе титрованием 0.1 н. НС1 в присутствии фенолфталеина и метилового оранжевого.
Исследование гидролиза субстрата дистиллированной и водопроводной водой проводили в динамических условиях. Навеску субстрата 6.60 г (в пересчете на сухой ионит) помещали в колонку с пористым дном диаметром 35 мм. Высота слоя ионита в оводненном состоянии составляла 20 мм, объем фильтровального слоя - 19.2 см3. Через колонку пропускали дистиллированную или водопроводную воду со скоростью 1.5 мл/мин. Выходящую из колонки воду анализировали на все макроионы, измеряли рН воды.
Для биологического эксперимента в качестве тест-растения был выбран многолетний рыхлоку-стовой злак райграс пастбищный (Lolium perenne L.), высота которого достигает от 20 до 60 см. Для него характерны высокая скорость роста (всходы появляются уже на 5-7-е сут после посева), хорошая переносимость частого скашивания,
быстрое восстановление после механических повреждений и невысокая требовательность к условиям освещения. Его динамика роста легко прослеживается по высоте растений.
Выращивание проводили на смеси отмытого соляной кислотой для удаления карбонатов кварцевого песка (фракция 0.10-0.63 мм, рН 6.3-6.5) с 2%-ной (по массе) добавкой ионитного субстрата (6.60 г на 323.4 г песка). Малая доля ионитного субстрата в смеси с практически бесплодным песком была выбрана для того, чтобы в течение сравнительно короткого периода культивации тест-растения (4 вегетации, в общей сложности 100 сут) можно было получить практически полное истощение субстрата.
В качестве вегетационных сосудов использовали черные пластиковые вазоны высотой 8 см и объемом 0.29 л, в которые помещали 200 мл смеси песка и ионообменного субстрата. Семена высаживали через трафарет по 35 штук в каждый вазон. Эксперимент проводили в фитотроне при искусственном освещении люминесцентными лампами белого света, освещенность на уровне субстрата составляла в среднем 20 800 Лк. Световой день длился 18 ч (с 6:00 до 24:00). Температура воздуха в фитотроне составляла 19-22°С.
Было поставлено 2 серии опытов в трех по-вторностях. В серии 1 полив осуществляли водопроводной водой, в серии 2 - дистиллированной. В ходе эксперимента было проведено 4 вегетации растений. Одна вегетация в среднем составляла 25 сут с момента появления всходов.
На протяжении всех вегетаций проводили фенологические наблюдения за ростом и развитием растений. По окончании каждой вегетации измеряли конечную высоту, проводили срез и определяли сухую массу надземной части растений. После окончания всего эксперимента также определили сухую массу корней растений и провели статистическую обработку данных по высоте и массе растений всех серий опыта.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Средние величины сырой и сухой биомассы надземной части растений в расчете на сосуд, полученные в последующих 4 вегетациях, представлены на рис. 1.
В табл. 1 приведена общая биомасса и биомасса надземной части растений в расчете на 1 г ионообменного субстрата, исходя из того, что биомасса получена за счет ионитной добавки. Эта величина -частное от деления величины биомассы варианта за вычетом величины биомассы контроля на величину массы ионитного субстрата (6.60 г).
Данные рис. 1 свидетельствуют, что в конце каждой вегетации биомасса растений, выращен-
1.2 . 1.0 3 0.8 ¡0.6
1
И 0.20.0
1.669±0.073 .331 ±0.040.2й0±0.008
п ш
Вегетационный цикл ■ Водопроводная вода □ Дистиллированная вода
(б) 1.074±0.004
" 0.790±0.023
ШН 0.545±0.001
1.09±0.15Жл50±0.01Япп^т,0и241±а(Х)4
-1.....................^Ж._^.................^^■0.055±0.005^Но.039±0.
0.241±0.004 0.055±0.005^И0.039±0.011
I
II Ш IV
Вегетационный цикл ■ Водопроводная вода □ Дистиллированная вода
Рис. 1. Сырая (а) и сухая (б) биомасса надземной части растений (г/сосуд), полученная в последовательных вегетациях растений.
ных на ионитном субстрате, была в несколько раз больше при поливе водопроводной водой, чем дистиллированной. Биомасса надземной части при поливе водопроводной водой в 1-й и 2-й ве-гетациях была довольно близкой, но резко снизилась в 3-й и 4-й вегетациях. Биомасса растений во 2-й вегетации была несколько больше, чем в 1-й. Это объясняется тем, что рост наземной части растения во 2-й вегетации происходил на сформированной в предыдущей вегетации корневой системе. Для выяснения причин резкого умень-щения биомассы растений в 3-й и 4-й вегетациях были выполнены эксперименты по вымыванию биогенных ионов из ионитного субстрата дистиллированной и водопроводной водой.
На рис. 2, 3 отображены данные об ионном составе и рН дистиллированной и водопроводной воды, пропущенной через колонку с субстратом. Количество субстрата в колонке было таким же, как
Таблица 1. Биомасса растений в 4-х вегетациях, г/г ионита субстрата
Биомасса Водопроводная Дистиллирован-
вода ная вода
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.