Железо (Fe) является важным микроэлементом, необходимым для
жизнедеятельности растений и микроорганизмов почвы. В природных почвах
железо присутствует в нескольких формах: окислы (Fe₂O₃, Fe₃O₄),
гидроксиды (Fe(OH)₃), сульфиды (FeS, FeS₂), хелаты и комплексные
соединения с органическим веществом. Общая концентрация железа
в верхних горизонтах почвы колеблется от 1 до 10 г/кг, при этом
доступная для растений форма железа — ион Fe²⁺ и комплексные
формы Fe³⁺, растворимые в слабокислой среде. Основная часть
железа находится в нерастворимых соединениях, недоступных для корней,
что делает важным понимание факторов, влияющих на его подвижность.
Биологическая роль железа
Железо участвует в ключевых физиологических процессах растений:
- Фотосинтез: Fe входит в состав хлорофилла,
участвующего в переносе электронов в фотосистемах I и II, а также
ферредоксина и цитохромов.
- Дыхание: Fe является компонентом дыхательных
ферментов митохондрий, обеспечивая перенос электронов и синтез АТФ.
- Синтез белков и ферментов: железо входит в состав
нитрогеназы, каталазы, пероксидазы, участвуя в метаболизме азота и
детоксикации перекиси водорода.
Дефицит железа проявляется хлорозом молодых листьев, нарушением
фотосинтеза и снижением продуктивности растений.
Механизмы поглощения
железа растениями
Растения используют два основных механизма поглощения железа из
почвы:
- Система I (редуктивная) характерна для бобовых и
многих листовых растений. Корни выделяют протонные потоки и ферменты,
восстанавливающие Fe³⁺ до Fe²⁺, который затем поглощается через
мембранные транспортёры.
- Система II (хелатная) свойственна злакам. Растения
синтезируют и выделяют фитосидины — низкомолекулярные органические
соединения, образующие стабильные комплексы с Fe³⁺, что увеличивает его
растворимость и доступность для корня.
Оба механизма зависят от pH почвы, содержания органического вещества,
концентрации других микроэлементов и аэробности среды.
Подвижность и
доступность железа в почве
Доступность железа для растений определяется его химической формой и
условиями почвенной среды:
- Кислые почвы (pH < 6,5): повышается
растворимость Fe³⁺, улучшается поглощение.
- Щелочные и карбонатные почвы: Fe³⁺ быстро образует
гидроксиды, малорастворимые оксиды, что снижает доступность железа.
- Органическое вещество: гумусовые кислоты образуют
хелаты с железом, увеличивая его биодоступность.
- Редокс-факторы: восстановительные условия
способствуют появлению растворимого Fe²⁺, аэробные — окислению до Fe³⁺ и
выпадению в осадок.
Важную роль играют также конкурентные взаимодействия с другими
катионами, такими как Mn²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, которые могут ингибировать
поглощение железа.
Превращения железа в почве
Железо подвергается сложным трансформациям:
- Окислительно-восстановительные процессы: Fe²⁺
окисляется до Fe³⁺ в аэробных условиях, Fe³⁺ восстанавливается до Fe²⁺
при повышенной влажности и низком содержании кислорода.
- Минерализация и фиксация: Fe³⁺ гидратируется и
осаждается в виде гидроксидов, Fe²⁺ может включаться в сульфидные
минералы в анаэробных зонах.
- Хелатирование органическим веществом: образуются
стабильные комплексы Fe³⁺ с органическими кислотами, что увеличивает
биодоступность для растений.
Эти процессы зависят от температуры, влажности, pH, состава
почвенного раствора и активности микроорганизмов.
Методы
агрохимического регулирования железного режима
Для предотвращения дефицита железа применяются следующие методы:
- Известкование с осторожностью: щёлочные внесения
корректируют кислотность, но могут снижать доступность Fe³⁺.
- Органические удобрения: внесение компоста, торфа,
сидератов увеличивает концентрацию хелатированных форм железа.
- Микроудобрения и хелаты: использование Fe-EDTA,
Fe-DTPA, Fe-EDDHA обеспечивает быстрое восполнение дефицита на щелочных
почвах.
- Агротехнические методы: поддержание оптимальной
влажности и структуры почвы, чередование культур с разной способностью к
усвоению железа.
Взаимодействие
железа с другими элементами
Железо активно взаимодействует с микро- и макроэлементами:
- Фосфор: избыток P способствует образованию
малорастворимых FePO₄, уменьшая доступность железа.
- Марганец и цинк: конкурируют с Fe²⁺ за транспортные
системы корня.
- Кальций и магний: при высоких концентрациях
повышают pH, что косвенно снижает биодоступность железа.
Эти взаимодействия требуют комплексного подхода к удобрению и
регулированию почвенного питания.
Контроль состояния
железного режима
Агрохимический контроль включает:
- Почвенные анализы: определение содержания подвижных
форм Fe (0,01 М HCl, DTPA-метод).
- Листовые анализы: выявление хлороза и
количественное определение Fe в листьях.
- Мониторинг рН и органического вещества: для оценки
условий доступности железа.
Эффективное управление железным режимом почв обеспечивает нормальный
рост растений, высокую продуктивность и устойчивость к стрессовым
условиям.