МИКРОБИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СИСТЕМЕ «ПОРОДА – ПОЧВА - РАСТЕНИЕ» НА ЛУГОВО-ОАЗИСНЫХ ПОЧВАХ ЗАПАДНОЙ ФЕРГАНЫ

АННОТАЦИЯ

Приведены данные об основных свойствах и особенностях лугово-оазисных почв Западной Ферганы, охарактеризован их микроэлементный состав. Содержание микроэлементов сравнено со средними их содержаниями в литосфере и почве, оценено с точки зрения их накопления и рассеяния. Изложены данные о содержании микроэлементов железа, марганца, цинка, хрома, никеля, кобальта и молибдена в растениях маша, фасоли и арахиса из семьи бобовых, произрастающих на лугово-оазисных почвах. Отмечены различия в накоплении микроэлементов в стеблях и зернах растений. Рассчитаны величины коэффициентов биологического поглощения (КБП) микроэлементов, оценена степень их вовлечения в биогенную миграцию.

ABSTRACT

Data on the main properties and features of the meadow-oasis soils of Western Fergana are presented, their microelement composition is characterized. The content of microelements is compared with their average contents in the lithosphere and soil, and estimated from the point of view of their accumulation and dispersion. Data on the content of trace elements of iron, manganese, zinc, chromium, nickel, cobalt and molybdenum in mung bean, bean and peanut plants from the legume family growing on meadow oasis soils are presented. Differences in the accumulation of trace elements in the stems and grains of plants were noted. The values of the coefficients of biological absorption are calculated (CBM) of trace elements, the degree of their involvement in biogenic migration was assessed.

Ключевые слова: лугово-оазисная почва, микроэлементы, маш, фасоль, арахис, кларк концентрации, кларк рассеяния, биологическое поглощение, накопление, захват.

Keywords: meadow-oasis soil, microelements, mung bean, beans and peanuts, concentration clarke, scattering clarke, biological absorption, accumulation, capture.

Введение

Обеспечение продовольственной безопасности является самой актуальной промлемой современности. Экологическая чистота сельскохозяйственной продукции во многом связано с химическим составом и свойствами почв.

Выбросы и отходы сильно развитой индустрии, особенно химической промышленности, энергетики, автотранспорта, а также применение минеральных и органических удобрений, пестицидов, гербицидов и множество других ядовитых химических препаратов в сельском хозяйстве способствуют загрязнению почв ядовитыми химическими веществами, в частности тяжелыми металлами или так называемыми микроэлементами. Эти вещества переходят в почвенный раствор, где всасываются корневой системой растений и будут накапливатся в различных их органах. Далее, прямыми или косвенными путями попадая в организм человека, они могут способствовать возникновению различных заболеваний и осложнений.

Биологическая доступность микроэлементов почвы является главным фактором, который определяет качество растительных продуктов. Переход элементов из почвы в растения определяется рН среды и окислительно-восстановительным потенциалом, гранулометрическим и минеральным составом, количественным и качественным составом органического вещества, температурой и водным режимом почв [5].

Биогеохимия микроэлементов возникла и развивалась благодаря трудам Ф.У. Кларка, В.И. Вернадского, А.Е. Ферсмана, А.И. Перельмана, Б.Б. Полынова, В.М. Гольдшмидта, Г.С. Вашингтона, А. Кабата-Пендиас, X. Пендиас и многих других ученых геохимиков. В Узбекистане, в частности в Ферганской долине, научные исследования биогеохимического направления проведены Я.К. Кругловой, М. Алиевой, Ғ. Юлдашевым, Х.Х. Турсуновым, М. Исағалиевым, А. Турдалиевым и другими.

А. Кабата-Пандиас [5, с. 15] отмечает, что в области биогеохимии, биогеохимической экологии проведены разносторонние исследования, которые позволили понимать законы, контролирующие основные процессы в окружающей среде. Однако все еще много проблем, которые могут стать объектами дальнейшего изучения: баланс и циклы микроэлементов и радионуклидов в специфических биогеохимических условиях; распределение элементов в почвах, почвенном растворе и других средах; переход микроэлементов из почвы в растения; риск для здоровья людей, вызванный микроэлементным дисбалансом в окружающей среде; изучение генов гипераккумуляции и транспорта микроэлементов в растениях; оценка состояния и ремедиация загрязненных земель, предотвращение загрязнения; естественные процессы, приводящие к самоочистке экосистемы.

Благоприятная среда обитания человека тесно связана с химическими свойствами почв и в частности с адекватным и безопасным содержанием микроэлементов. Состояние окружающей среды и здоровье населения зависят от подвижности и биологической доступности многих микроэлементов. Следовательно, поведение микроэлементов в экосистемах является приоритетной проблемой современных биогеохимических исследований [5; 6].

Объект и методы исследования

Исследования проведены на землях фермерских хозяйств Бешарикского, Дангаринского и Учкуприкского районов Ферганской области. Объектами исследования явились лугово-оазисные и новоосвоенные луговые почвы сазового режима и растения маш, фасоль и арахис из семейства бобовых. В полевых и лабораторных исследованиях использованы морфогенетический метод В.В. Докучаева и физико-химические, нейтронно-активационные методы, а также общепринятые стандартные агрохимические методы, получившие широкое распространение в почвоведении. Элементный состав почвы и растений определен нейтронно-активационным методом в лаборатории экологии и биотехнологии института ядерной физики АН РУз. При этом пробы в ядерном реакторе составляют 5×10¹³ нейтронов/см² сек, облученных потоком нейтронов, и количество химических элементов определялось исходя из периодов полураспада.

Результаты исследования и их обсуждение

В Западной Фергане, которая характеризуется пустынным климатом, в силу многовекового орошаемого земледелия и своеобразных гидрогеологических условий сформированы лугово-оазисные почвы. Эти почвы распространены в средней и нижней частях конусов выносов с ирригационно-сазовым режимом грунтовых вод. Свойства и особенности их сильно изменены под влиянием долголетней интенсивной поливной земледельческой культуры – микроклиматом, обильным и регулируемым увлажнением, механической обработкой, систематическим удобре­нием, мелиорациями и т.д. [8].

Главный признак лугово-оазисных почв – это агроирригационный горизонт, обязанный своим происхождением привносу и отложению ила и других взвешанных частиц мутными водами рек Сох и Исфара, имеет мощность 60–80 см. Окраска монотонно-серая, по механическому составу среднесуглинистый, структура мелкокомковатая.

Ниже залегает материнская порода суглинистого состава, желтовато-серого цвета с буровато-зеленоватым оттенком вверху, книзу приобретает пятнистый вид, доминируют зеленоватые тона. Обнаруживаются мелкие кристаллики гипса.

Нижняя часть почвенного профиля представлена оглеенным тяжелым механическим составом неоднородной окраски, в верхней половине слоя преобладают красновато-коричневатые тона с темно окрашенными пятнами, книзу приоритет переходит к зеленоватым, голубоватым и более темным цветам, которые в совокупности образуют своеобразную мозаику окрасок. Структура слоя творожистая.

Количество гумуса в пределах агроирригационного горизонта лугово-оазисных сазовых почв колеблется от 1,5 до 2,1%. Гумус лугово-оазисных почв относительно богат азотом. Отношение С:N колеблется обычно в пределах от 7 до 9.

Исследованные почвы обогащены валовым фосфором на всю толщу агроирригационного горизонта, особенно в пахотном горизонте – 0,398%. Минимальным содер­жанием отличается почвообразующая порода – до 0,10%.

Основным фактором, определяющим содержание валового фосфора в орошаемых почвах, является количество вносимых фосфорных удобрений. В луговых почвах фосфор удобрений чрезвычайно быстро связывается в труднорастворимые соединения – фосфаты кальция, железа и алюминия. Они и являются основным фондом фосфора, со­ставляя до 60–80% от валового содержания в почвах.

Высокая вариабельность подвижной Р₂О₅ в пахотном горизонте (до 54,9 мг/кг) связана с различными дозами вносимых фосфорных удобрений. Высокие содержания подвижного фосфора обусловлены систематическим внесением высоких доз фосфорных удобрений, и почвы относятся к категории средне- и высокообеспеченных.

Содержание валового калия в лугово-оазисных почвах доходит до 0,93%. По количеству подвижного калия они относятся к категории среднеобеспеченных. Содержание К₂О в пахотном горизонте превышает 400 мг/кг почвы.

Процессы миграции и аккумуляции химических элементов в почвах и растениях протекают в тесной взаимосвязи. Содержание элементов в почвах в первую очередь связано с их содержанием в почвообразующих породах. Также следует отметить, что в миграции, накоплении и перераспределении химических элементов в аридных условиях района исследования особое значение принадлежит ирригационно-гидрогенным и биогенным факторам. Растения избирательно поглощают элементы из почвы, однако особая роль в этом сложном физиологическом процессе принадлежит содержанию химического элемента в почве. Обеспечение потребности растения в том или ином химическом элементе зависит от его содержания в почве.

Содержание Fe и Mn в изученных лугово-оазисных почвах Западной Ферганы отличается наибольшими значениями. Однако эти значения меньше их среднего показателя в литосфере и в почве. В распределении содержания Fe, Mn, Zn и Mo в почвенном профиле наблюдается слабая дифференциация. Наименьшие количества этих элементов содержатся в средней, переходной от почвы к породе части профиля. Верхний горизонт переходного слоя содержит небольшой максимум Cr, Ni и Co. В отдельных горизонтах нижней части профиля обнаруживается второй максимум этих элементов (таблица 1).

Таблица 1.

Содержание микроэлементов в лугово-оазисных почвах

Значения кларков концентрации и рассеяния микроэлементов, приведенные в таблице 2, характеризуют концентрации или рассеяния химических элементов в исследуемой почве и породе относительно земной коры (литосферы). Кларки концентрации и кларки рассеяния, предложенные В.И. Вернадским в 1937 году, показывают относительную распространенность химических элементов в природе [7]. Если химический элемент накапливается в почве или в другом природном объекте, то величина его кларка концентрации будет выше единицы – К_к > 1. Так, значение кларка концентрации цинка и молибдена в лугово-оазисных сазовых почвах Исфаринского конуса выноса по всему профилю колеблется в пределах от 1,13 до 1,38 и от 0,99 до 1,74 соответственно. Причем более высокие значения свойственны верхней части почвенного профиля – агроирригационному слою. Переходная от почвы к породе часть профиля характеризуется меньшими значениями кларка концентрации, а порода занимает промежуточное место.

Следовательно, в почвенных горизонтах идет относительно более интенсивное накопление Zn и Mo. Этому, видимо, способствуют мутность оросительных вод, внесение землистых и минеральных удобрений.

Таблица 2.

Значения кларков концентрации и рассеяния микроэлементов

Содержание Fe, Mn, Ni, Co и Cr в изученных почвах намного ниже среднего содержания их в земной коре, т.е. кларка, – К_к > 1. Эти элементы в почвах не накапливаются, а рассеиваются. В таких случаях обычно пользуются понятием «кларк рассеяния». Кларк рассеяния есть величина, обратная кларку концентрации, который показывает, во сколько раз кларк химического элемента в литосфере (К) больше его содержания в почве, породе или в другом природном объекте.

Значения кларка концентрации и кларка рассеяния позволяют выделять ряды или группы накапливающихся и рассеивающихся химических элементов. К ряду накапливающихся элементов в лугово-оазисных почвах относятся цинк и молибден: Mo_(1,74) – Zn_(1,35).

Рассеивающиеся химические элементы представляются следующим рядом:

Cr_(1,35) – Mn_(1,63) – Fe_(1,67) – Co_(1,76) – Ni_(2,56).

Источником поступления микроэлементов в растения являются различные соединения их в почвах. Микробиогенные элементы, необходимые для жизнедеятельности растений, – это Fe, Mg, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, V, Co, Mn, Ni, Cr и др. Они биоте требуются в малых количествах (10^–5–10^–3 % масс.), однако им принадлежит большая роль в обеспечении функции фотосинтеза, азотного обмена, метаболической функции и т.д. [3; 4]. Минеральная составляющая часть растительного тела сильно отличается от их содержания в почвах, на которых они произрастают. Это связано с избирательной способностью растений поглощать химические элементы.

Таблица 3.

Содержание микроэлементов в органах растений

Также довольно сильно различается количество химических элементов в различных органах растений (табл. 3). Содержание Fe в стеблях маша, фасоли и арахиса изменяется от 478 до 592 мкг/г и в зернах этих растений от 49,4 до 62,5 мкг/г. Количество Mn в стеблях колеблется в пределах 47,5–50,2 мкг/г и в зернах – 12,4–14,8 мкг/г. Содержание Zn равно 11,8–13,1 мкг/г и 22,7–32,1 мкг/г, Ni – 4,93–5,73 мкг/г и 2,5–5,9 мкг/г, Mo – 0,58–0,73 мкг/г и 0,56–17,7 мкг/г, Cr – 0,90–1,12 мкг/г и 0,15–0,45 мкг/г, Co – 0,09–0,19 мкг/г и 0,02–0,07 мкг/г соответственно.

Таблица 4.

Коэффициенты биологического поглощения

Для золы стебля и зерна маша, фасоли и арахиса, возделываемых в периферийной части Исфаринского конуса выноса, рассчитаны коэффициенты биологического поглощения (К_б, КБП) (табл. 4). Этот показатель характеризует способности растительных организмов поглощать и аккумулировать химические элементы. КБП является важным показателем при рассмотрении вопросов, связанных с биогенной миграцией химических элементов. «Величина КБП является количественной характеристикой перехода элемента из почв в растения и в системе мониторинга может быть одним из показателей, отражающих региональную специфику почвенно-геохимических условий миграции химических элементов» [1, с. 71].

По данным КБП построены ряды интенсивности поглощения химических элементов растениями маш, фасоль и арахис, в которых элементы расположены в порядке убывания значений их КБП. Ряды интенсивности поглощения имеют следующий вид:

Для стебля маша:

Ni_(0,253) > Mo_(0,181) > Zn_(0,117) > Mn_(0,077) > Fe_(0,021) > Co_(0,018) > Cr_(0,017).

Для стебля фасоли:

Ni_(0,218) > Mo_(0,166) > Zn_(0,105) > Mn_(0,082) > Fe_(0,017) > Cr_(0,014) > Co_(0,011).

Для стебля арахиса:

Ni_(0,231) > Mo_(0,209) > Zn_(0,112) > Mn_(0,081) > Fe_(0,020) > Cr_(0,018) > Co_(0,009).

Для зерна маша:

Mo_(5,071) >Zn_(0,286) > Ni_(0,261) > Mn_(0,020) > Co = Cr_(0,003) > Fe_(0,0017).

Для зерна фасоли:

Mo_(3,553) > Zn_(0,258) > Ni_(0,202) > Mn_(0,024) > Co_(0,007) > Cr_(0,002) > Fe_(0,0018).

Для зерна арахиса:

Zn_(0,202) > Mo_(0,160) > Ni_(0,110) > Mn_(0,021) > Co_(0,007) > Cr_(0,002) > Fe_(0,0022).

Вышеприведенные ряды интенсивности поглощения показывают, что растения маш, фасоль и арахис интенсивно поглощают Мо, Ni и Zn и особенно сильно накапливаются Мо в зернах маша и фасоли. Потребность этих растений в Mn и особенно Co, Cr и Fe минимальна.

В зависимости от величины коэффициента биологического поглощения химические элементы разделяются на группы биологического накопления и биологического захвата [7]. В первую группу включают химические элементы, содержание которых в золе больше, чем в компонентах литосферы, т.е. К_б > 1. Если содержание элемента в золе меньше, чем в литосфере (К_б < 1), то такой химический элемент растениями только захватывается. Такие элементы относят к группе биологического захвата. При этом как степень накопления химических элементов, так и степень их захвата может быть различной. Так, в нашем случае наиболее высокая степень биологического поглощения и накопления характерна для молибдена. Цинк и никель являются элементами слабого биологического поглощения и среднего захвата. Железо, хром и кобальт отличаются наименьшей интенсивностью биологического поглощения.

Выводы

Лугово-оазисным почвам характерно низкое содержание Fe, Mn, Ni, Co и Cr, и они относятся к группе рассеивающих микроэлементов. Zn и Mo являются накапливающими, так как содержание этих элементов превышает средний их показатель в литосфере и почве.

Количество Fe, Mn, Cr и Co в стеблях маша, фасоли и арахиса, произрастающих на лугово-оазисных почвах, больше, чем в их зернах. Zn и Mo содержатся в зернах больше, чем в стеблях. Содержание Ni и в стеблях, и в зернах маша и фасоли имеет близкие значения, а в зернах арахиса два раза меньше, чем в его стебле.

Мо является элементом сильного биологического накопления для маша и фасоли. Zn и Ni всеми изученными растениями и Мо арахисом захватываются в средней степени. Co, Cr и Fe являются элементами очень слабого биологического захвата.

Список литературы:

1. Азаренко Ю.А. Содержание микроэлементов в растениях на почвах лесостепных и степных ландшафтов омского Прииртышья // Вестник ОмГАУ. – 2016. – № 4 (24). – С. 65–74.
2. Алексеенко В.А. Химические элементы в геохимических системах. Кларки почв селитебных ландшафтов : монография / В.А. Алексеенко, А.В. Алексеенко. – Ростов н/Д. : Издательство Южного федерального университета, 2013. – 380 с.
3. Биогенные элементы // Большая советская энциклопедия: в 30 т. / гл. ред. А.М. Прохоров. 3-е изд. – М. : Советская энциклопедия, 1969–1978.
4. Биофильные (биогенные) элементы / гл. ред. Е.А. Козловский, А.А. Ледовских [и др.] // Российская геологическая энциклопедия: в 3 т. Т. 1 (А-И). – М. – СПб. : Изд-во ВСЕГЕИ, 2010.
5. Кабата-Пендиас А. Проблемы современной биогеохимии микроэлементов // Российский химический журнал (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). – 2005. – Т. XLIX, № 3. – С. 5–19.
6. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. –М. : Мир, 1989. – 439 с.
7. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. – М. : Высшая школа, 1975. – 344 с.
8. Почвы Узбекистана. – Ташкент : Фан, 1975. – 224 с.
9. Yuldashev G.Yu., Isag‘aliyev M.T. Tuproq biоgeоkimyosi. – Tашкент, 2014.