Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткая история изучения микроэлементов в почвах и функции микроэлементов в живых организмах 13
1.1. Развитие учения о микроэлементах и их роли в почвообразовании 13
1.2. Функции микроэлементов в живых организмах 19
1.3. Влияние микроэлементного состава почв на распространение заболеваний человека и животных 30
1.4. Заключение по обзору литературы 35
Глава 2. Объекты и методы исследований 37
2.1. Объекты исследований 37
2.2. Методы исследований 38
2.2.1. Методы определения валового содержания микроэлементов в почвах 39
2.2.2. Определение подвижных форм микроэлементов в почвах 41
2.2.3. Анализ растений на содержание микроэлементов 41
2.2.4. Методы оценки основных химических и физико-химических свойств почв 42
Глава 3. Экологические условия почвообразования в Центральном Черноземье и характеристика черноземов и серых лесных почв 43
3.1. Геоморфология и геологическое строение 43
3.2. Гидрология и гидрохимия 45
3.3. Почвообразующие породы 46
3.4. Растительный покров 53
3.5. Климат 56
3.6. Закономерности распространения и особенности черноземов и серых лесных почв Центрального Черноземья 58
3.6.1. Закономерности географического распространения почв 58
3.6.2. Гранулометрический состав серых лесных и черноземных почв 61
3.6.3. Минералогический и химический состав серых лесных почв 62
3.6.4. Минералогический и химический состав черноземов 64
3.6.5. Химические и физико-химические свойства зональных почв 72
3.6.6. Антропогенное воздействие на почвы 76
3.7. Заключение к главе 77
Глава 4. Микроэлементы в почвообразующих породах и природных водах Центрального Черноземья 80
4.1. Содержание и распределение микроэлементов в горных и почвообразующих породах 80
4.1.1. Микроэлементы в горных породах 80
4.1.2. Микроэлементы в почвообразующих породах 84
4.2. Микроэлементы в природных водах 104
4.3. Заключение к главе 107
Глава 5. Содержание и закономерности распределения микроэлементов в серых лесных и черноземных почвах Центрального Черноземья 109
5.1. Тяжелые металлы в почвах 111
5.1.1. Хром 111
5.1.2. Ванадий 118
5.1.3. Никель 123
5.1.4. Марганец 127
5.1.5. Цинк 140
5.1.6. Медь 148
5.1.7. Кобальт 155
5.2. Микроэлементы-гидролизаты и бериллий в почвах 161
5.2.1. Титан 161
5.2.2. Цирконий 168
5.2.3. Галлий 172
5.2.4. Бериллий 173
5.3. Щелочноземельные металлы-микроэлементы в почвах 176
5.3.1. Барий 176
5.3.2. Стронций 183
5.4. Бор, йод и молибден в почвах 187
5.4.1. Бор 187
5.4.2. Йод 203
5.4.3. Молибден 214
5.5. Заключение к главе 223
Глава 6. Особенности формирования микроэлементного состава зональных почв Центрального Черноземья 225
6.1. Формирование микроэлементного состава серых лесных почв 226
6.2. Формирование микроэлементного состава черноземов 231
6.3. Заключение к главе 242
Глава 7. Микроэлементы в системе почва - культурные растения в условиях Центрального Черноземья 247
7.1.Роль генетического фактора в формировании микроэлементного состава культурных растений 247
7.2. Влияние экологического фактора на микроэлементный состав культурных растений 252
7.3. Микроэлементы в системе почва - растение при длительном применении удобрений 257
7.4. Заключение к главе 263
Глава 8. Почвенно-геохимическое районирование территории Центрального Черноземья и влияние микроэлементного состава почв на распространение заболеваний среди населения региона 265
8.1. Основные принципы почвенно-геохимического районирования 265
8.2. Среднерусско-Калачскийпочвенно-геохимический округ 268
8.3. Окско-Донскойпочвенно-геохимический округ 272
8.4. Влияние микроэлементного состава почв на распространение заболеваний населения в Центральном Черноземье 279
8.5. Заключение к главе 286
Заключение 289
Основные выводы 300
Список цитируемых источников 304
Приложения 3
- Функции микроэлементов в живых организмах
- Минералогический и химический состав черноземов
- Цинк
- Окско-Донскойпочвенно-геохимический округ
Функции микроэлементов в живых организмах
Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы в организме объясняется тем, что они входят в состав так называемых «акцессорных веществ» - дыхательных пигментов, витаминов, гормонов, ферментов, коферментов и других, участвующих в регуляции жизненных процессов. Микроэлементы направляют и регулируют ход этих процессов, обеспечивая нормальное развитие организма. Это дало основание А.В. Петербургскому (1965) назвать микроэлементы «катализаторами катализаторов» [211]. Помимо вхождения микроэлементов в состав ферментов, они способны давать большое число других комплексных органоминеральных соединений, обладающих пониженной или повышенной способностью вступать в определенные реакции. Каждый химический элемент, выступающий в роли микроэлемента, должен удовлетворять трем критериям незаменимости, сформулированным D.I. Аг-поп и P.R. Stout (1939) [298]:
1. Растения в отсутствие химического элемента не могут покрыть все свои потребности роста.
2. Потребность в каком-либо элементе не может быть покрыта другим элементом.
3. Элемент непосредственно участвует в питании растений.
Благодаря своей выдающейся биологической роли, микроэлементы имеют перспективы использования в растениеводстве, животноводстве и медицине.
Йод. Вопрос о влиянии йода на физиолого-биохимические показатели растений в научной литературе долгое время считался дискуссионным. В настоящее время получен значительный экспериментальный материал, свидетельствующий об участии йода в разнообразных важнейших процессах жизнедеятельности растительных организмов. Он позволяет сделать вывод о том, что йод является физиологически активным элементом в растениях. Установлено, что йод в растениях находится в составе аминокислот, пептидов, полипептидов, белков, а также в виде свободных ионов. Физиологическое действие его в растениях осуществляется посредством специфического участия в азотном обмене и неспецифического влияния свободных ионов этого элемента на активность ферментов и окислительно-восстановительные процессы. Следствием участия йода в процессах азотного обмена и в окислительно-восстановительных реакциях является существенное воздействие его на фотосинтетическую деятельность, углеводный обмен, водный режим, ростовые процессы и продуктивность [48, 132, 158, 162, 265, 329]. Оказалось, что йод способствует повышению сахаристости корнеплодов сахарной свеклы, крахмалистое картофеля, содержания хлорофилла в листьях, масла в семенах подсолнечника, аскорбиновой кислоты в овощах. Он стимулирующе действует на рост растений. Есть сведения и об угнетении роста растений, и о снижении их продуктивности при внесении йодных удобрений [336]. Все вышеизложенное позволяет считать, что для йода существуют свои оптимальные концентрации положительного действия на физиологические процессы в растениях. Применение йода в других концентрациях или не оказывает положительного эффекта или действует токсически.
Еще в первой половине прошлого столетия была установлена необходимость йода для животных и человека. Роли йода в физиологии щитовидной железы посвящены работы О.В. Николаева (1955), А.И. Войнар (1960), Ю.Г. Антонова (1968) и многих других ученых [26, 72, 193]. Йод является незаменимым компонентом гормонов щитовидной железы - тироксина и 3-3-5-трийодтиронина. У человека в 100 г ткани щитовидной железы содержится 56 мг йода. Гормон щитовидной железы тироксин содержит 65.3% йода. Для синтеза необходимого количества тироксина требуется ежесуточное поступление йода в организм в количестве не менее 0.2 мг. При недостатке йода в организме животного и человека происходит нарушение функции щитовидной железы, при этом ее размеры значительно увеличиваются (вплоть до появления зоба), а деятельность ослабевает, понижаются окислительные процессы и газообмен, ослабевает обмен азотистых веществ и углеводов. Нарушения в обмене веществ отрицательно влияют на рост и плодовитость животных, при этом снижается продуктивность и увеличивается процент мертворожденного молодняка. Тяжелыми последствиями зоба являются кретинизм и вырождение. Эндемическое увеличение щитовидной железы следует рассматривать как реакцию организма на недостаток йода. У человека реакция на недостаток йода проявляется сильнее и чаще, чем у сельскохозяйственных животных [139]. Трудами многих исследователей выявлена отрицательная корреляция между содержанием йода в почвах и напряженностью зобной эндемии [26, 67, 72, 139, 193, 313].
Бор. Работами российских и зарубежных ученых установлено, что бор необходим для нормального роста более чем 100 видов высших растений [45, 70, 131, 284]. Известно большое количество борорганических соединений, играющих огромную роль в жизнедеятельности живых организмов. Благодаря способности изменять физико-коллоидные свойства плазмы, бор повышает засухо- и морозоустойчивость растений. Он не входит в состав ферментов, но обладает каталитическими свойствами [284]. В экспериментах показано, что бор в оптимальных дозах увеличивает интенсивность фотосинтеза растений [284]. Как установили H.G. Gauch и W.M. Dugger (1953), основная функция бора состоит в том, что он в виде боратного комплекса принимает участие в передвижении Сахаров [314]. Влияние бора на углеводный и белковый обмен в растениях связывают со способностью борной кислоты образовывать комплексные соединения с органическими кислотами, углеводами, многоатомными спиртами, гидроксидами и другими соединениями, содержащими гидроксильные группы. Есть данные о том, что при повышенном нитратном питании растений потребность в боре возрастает [70]. Оказалось, что бор положительно влияет на поступление в растения калия и кальция. Под влиянием бора повышается содержание сахара в сахарной свекле, плодово-ягодных и других культурах, витамина С и каротина в овощах, крахмала в картофеле, жира в семенах масличных культур, эфирных масел в эфиромас-личных культурах, белка в пшенице, улучшается качество волокна льна и конопли [71,156, 269, 284]. Растения страдают от недостатка бора. У некоторых видов растений симптомы недостаточности бора проявляются в виде нарушения роста стеблей и корней. При сильном борном голодании растение может совершенно не образовать цветков. Наблюдаются пустоцвет и опадание завязей, плод приобретает уродливую форму. У сахарной свеклы отмечаются сердцевинная и сухая гниль, у турнепса и брюквы - побурение сердцевины, у люцерны - пожелтение верхушек, у цветной капусты -побурение и загнивание головки, у яблони - внутреннее опробковение яблок. Избыточное содержание бора в почвах также вызывает заболевание растений вплоть до их гибели. В.В. Ковальский (1974) отмечает, что в борных биогеохимических провинциях при высоком содержании бора в почвах у многих растений происходит угнетение точки роста, отмирание образовательной ткани, что приводит к появлению низкорослых растений распластанной формы или кустистых. Избыток бора вызывает резкое снижение продуктивности растений. Различия между оптимальными и токсическими концентрациями бора в питательной среде для многих растений бывают небольшими [139].
В организме животных бор является составной частью важнейших органических соединений и содержится в меньших количествах, чем в растениях. Вопрос о значении бора для организма человека и животных пока еще остается открытым, так как явления борной недостаточности у животных в природных условиях не описаны. Однако способность бора давать комплексные соединения с целым рядом органических веществ, играющих большую роль в физиологических процессах организма животных: с сахарами, рибофлавином, пиридоксином, аскорбиновой кислотой, адреналином и другими, свидетельствует о том, что в животных организмах бор играет вполне определенную, пока еще до конца не выясненную физиологическую роль. Соединения бора оказывают влияние на процессы обмена веществ у человека. Под его воздействием понижается основной обмен, снижается содержание сахара в крови, угнетается активность некоторых ферментов, витаминов и гормонов [72]. Избыточные концентрации бора в пище и почвах токсически действуют на животных, вызывая борный энтерит. При борном энтерите овец наблюдаются значительные нарушения выделительной функции почек, активности пищеварительных ферментов и заболевание легких Все это приводит к накоплению бора в тканях и ослаблению процессов пищеварения [139]. Бор необходим и микроорганизмам. Обнаружено, что он стимулирует развитие бактерий изменяет распределение микроорганизмов на корнях растений и в общем усиливает биологическую активность почв [70, 131].
Минералогический и химический состав черноземов
Исследования Е.А. Яриловой (1953), П.Г. Адерихина и А.Б. Беляева (1973), А.Б. Беляева и Н.А. Протасовой (2000), А.П. Щербакова, Н.А. Протасовой и А.Б. Беляева (2000) показали, что среди минералов всех подтипов черноземов Центрального Черноземья доминирует кварц [9, 41, 290, 294]. Его количество уменьшается при переходе от фракции 0.25 мм к фракции 0.1-0.01 мм, в которой в основном сосредоточены полевые шпаты. Очень редко во фракциях 0.01 мм встречаются обломки кремнистых пород, опал, глауконит, биотит, мусковит. Во всех фракциях преобладают калиевые полевые шпаты - ортоклаз и микроклин, реже присутствуют натриевые полевые шпаты - альбит и олигоклаз, и совсем отсутствуют кальциевые - плагиоклазы. Распределение кварца по почвенному профилю находится в обратной зависимости от распределения полевых шпатов.
Тяжелые минералы концентрируются, в основном, во фракциях 0.25 мм. Фракция 0.25 мм является самой бедной по их содержанию. В ней в виде единичных зерен отмечаются гранат, ставролит, турмалин, рутил, эпидот, пироксены, гидроксиды железа и ильменит. Во фракции 0.25-0.1 мм преобладают гидроксиды железа, в меньшем количестве содержатся остальные минералы. Во фракции 0.1-0.01 мм верхнего горизонта черноземов (кроме южного) интенсивно накапливаются эпидот с цои-зитом, ильменит с магнетитом, амфиболы, в меньшей степени - рутил, сфен, гранат. Циркон, турмалин, лейкоксен, моноцит, группа дистена, пироксены, ставролит, гидроксиды железа присутствуют в небольших количествах (рис. 4, 5, 6.). С глубиной уменьшается содержание амфибол, граната, группы дистена, ставролита (выщелоченные, обыкновенные и южные черноземы), увеличивается - граната (вьщелоченные и обыкновенные), группы дистена и циркона (выщелоченные, обыкновенные, южные), пироксенов, турмалина (типичные, обыкновенные, южные), пиролюзита (обыкновенные и типичные). В южных черноземах отмечается довольно высокое содержание гидроксидов железа возрастающее с глубиной (рис. 7.).
Самой активной частью почвы является илистая фракция, которая содержит следующие минералы в порядке убывания: гидрослюду (преобладает), смешанослой-ные минералы, монтмориллонит, хлорит, каолинит, кварц, гидроксиды железа. Монтмориллонит накапливается в нижней части профиля. Хлорит присутствует как в верхних горизонтах, так и в почвообразующих породах. Каолинит и высокодисперсный кварц отмечаются в верхних горизонтах. С глубиной содержание кварца падает. Таким образом, кварц занимает доминирующее положение во фракциях 0.01 мм, полевые шпаты - во фракции 0.1- 0.01 мм, тяжелые минералы приурочены к пылеватым фракциям, гидрослюда преобладает в илистой фракции всех горизонтов почвенного профиля.
Распределение химических элементов в гранулометрических фракциях черноземов зависит от степени дисперсности почвенных частиц. Так, с уменьшением их дисперсности увеличивается содержание Si и уменьшается количество Al, Fe, Mg, К, Р, Мп (табл. 5). В пылеватых фракциях, богатых первичными минералами (гранатом, амфиболами, эпидотом), сосредоточен Са, содержание которого увеличивается в породе. В илистой фракции преобладает Mg, так как он входит в состав глинистых минералов. С глубиной его содержание в илистой и тонкопылеватой фракциях увеличивается, так как содержание глинистых минералов также возрастает вниз по профилю.
В илистой и тонкопылеватой фракциях накапливается и К, содержание которого уменьшается с глубиной, что обусловлено уменьшением количества гидрослюд за счет их монтмориллонитизации [9]. Максимальная концентрация Na обнаружена во фракции средней пыли, и вниз по профилю она увеличивается. Наибольшее количество Р содержат илистые и тонкопылеватые частицы гумусового горизонта черноземов, которое постепенно уменьшается с глубиной. Незначительное содержание Р найдено в крупнопылеватой фракции, в которой встречаются единичные зерна фосфорсодержащих минералов - апатита и ксенотима. Ti приурочен к тонкопылевтой фракции, Мп - к илистой.
Таким образом, распределение химических элементов в черноземах определяется содержанием высокодисперсных минералов (илистая фракция) и тяжелых минералов (пылеватые фракции), которые преобладают в их профиле. При почвообразовании происходит вынос одних элементов и накопление других. Установлено, что в черноземах региона относительно почвообразующих пород наблюдается накопление S, Р [290]. По сравнению с литосферой в исследуемых почвах происходит концентрирование Si, S и рассеяние Al, Fe, Са, Mg, К, Na, Р. Уровень содержания большинства макроэлементов в черноземах региона близок к кларку почв по Виноградову (табл. 6).
Цинк
Среднее содержание Zn в почвах, по данным А.П. Виноградова (1957), составляет 50 мг/кг [68]. В черноземных почвах, содержащих много органических веществ и глинистой фракции, в условиях нейтральной реакции среды Zn прочно закрепляется, и уровень его содержания повыщается до 90 мг/кг. В подзолистых и серых лесных почвах содержание Zn снижается до 23 мг/кг. В почвах Zn может находиться в составе кристаллической решетки первичных и вторичных минералов, в обменной форме, в виде водорастворимых солей, в составе органического вещества, в том числе хелатов [145, 304]. Zn почвенных минералов малодоступен растениям. Растения хорошо усваивают водорастворимые и обменные формы Zn. Водорастворимые соли Zn представлены простыми солями - хлористыми, сернокислыми, азотнокислыми. Водорастворимого Zn в почве очень мало (менее 1% от валового). Содержание обменного Zn, поглощенного органическими и минеральными коллоидами почвы, сильно варьирует в зависимости от типа почвы. Черноземные почвы характеризуются низким содержанием обменного Zn, в подзолистых почвах его значительно больше, так как в кислых и слабокислых растворах многие соединения его растворимы.
Данные о содержании Zn в почвах Центрального Черноземья рассмотрены в работах Б.П. Ахтырцева (1965, 1979), П.Г. Адерихина и М.Т. Копаевой (1979, 1981), Н.А. Протасовой, А.П. Щербакова и М.Т. Копаевой (1992), Н.А. Протасовой и М.Т. Копаевой (1995), Н.А. Протасовой и А.Б. Беляева (2000) [11, 12, 30, 32, 226, 231, 233], в которых отражены некоторые закономерности в распределении этого элемента в почвенном покрове региона.
Цинк в серых лесных почвах. Среднее содержание Zn в серых лесных почвах Центрального Черноземья (табл. 29) несколько ниже средней величины, предлагаемой В.А. Ковда с соавт. (1959), В.В. Ковальским и Г.А. Андриановой (1970) [143, 148].
Для серых лесных почвах региона характерно рассеяние Zn относительно литосферы (Кр=2). Содержание валового Zn в 50-сантиметровом слое серых лесных почв тесно связано с его количеством в породе (г=0.96). Периодически промывной водный режим, невысокое содержание гумуса и обменных катионов Са и Mg, слабокислая реакция почвенного раствора и, как следствие этого, высокая подвижность гуминовых соединений в серых лесных почвах повышают растворимость Zn и способствуют его выносу из почвенного профиля. Существенных различий в содержании Zn в гумусовых горизонтах различных подтипов серых лесных почв нет, хотя тенденция к возрастанию его количества от светло-серых к темно-серым лесным почвам наблюдается вслед за увеличением содержания гумуса, обменных катионов и илистой фракции. Варьирование содержания валового Zn в серых и светло-серых лесных почвах невысокое (V=8-9%). Наибольшим разбросом концентраций характеризуются темно-серые лесные почвы. Интересно, что темно-серая лесная почва из Шипова леса, расположенного в степной зоне, по запасам Zn почти не отличается от обыкновенного чернозема [150]. Характер распределения Zn по профилю серых лесных почв различен и обусловливается двумя противоположно направленными процессами - биогенной аккумуляцией в верхних горизонтах и выносом этого элемента в процессе элювиирова-ния. Последнее приводит к накоплению Zn в иллювиальном горизонте. Профильное распределение элемента в серых лесных почвах связано с распределением рутила, сфена, граната и ильменита с магнетитом (рис. 17.) Аккумуляции Zn в гумусовом горизонте серых лесных почв не наблюдается (Как 1). Корреляция Zn с гумусом и рН в профиле светло-серых и серых лесных почв носит отрицательный характер (г=-0.56), а с суммой обменных катионов (г=0.74) и илистыми частицами (г=0.55) - положительный [150]. Отсутствие биогенной аккумуляции Zn в профиле серых и светло-серых лесных почв Башкирии отмечают А.С. Шарова с соавт. (1963) [282]. Они связывают это с повышенным выносом Zn за пределы почвенной толщи вследствие кислой реакции почв. Для темно-серых лесных почв Центрального Черноземья характерно ясно выраженное биогенное накопление Zn (Как=1.3), а его содержание тесно коррелирует с гумусом и суммой обменных катионов (г=0.97), слабо - с илистой фракцией (г=0.44), а с рН почвы наблюдается обратная тесная связь (г=-0.94) [150]. По данным П.Г. Аде-рихина и М.Т. Копаевой (1981), 33% валового содержания Zn концентрируется в фульвокислотах и 12.5% - в гуминовых кислотах, т.е. примерно половина всего количества Zn связана с органическим веществом серых лесных почв [12]. Светло-серые лесные супесчаные почвы характеризуются минимальным содержанием Zn, что обусловлено незначительной концентрацией его в почвообразующих породах (7-12 мг/кг) а также особенностями физических и химических свойств этих почв [150].
Обменного Zn, доступного растениям, в серых лесных почвах содержится очень мало - в верхних горизонтах - 0.5-0.7%, а в материнских породах - 0.1-2.6% его валового содержания [150]. Эти данные ниже среднего содержания подвижного Zn (2.95 мг/кг), установленного В.В. Ковальским и Г.А. Андриановой (1970) [148]. Согласно исследованиям Я.В. Пейве (1967), содержание обменного Zn в почвах связано с органическим веществом и кислотностью почвы и увеличивается в кислых, богатых гумусом почвах [208]. Действительно, темно-серые лесные почвы под лесом характери-зуются значительной концентрацией подвижного Zn (4.84 мг/кг), заметно превосходящей его количество в распаханных почвах (0.2-0.5 мг/кг). Повышенную концентрацию подвижного Zn в гумусовом горизонте серых лесных почв под лесом отмечают К.В. Веригина с соавт. (1964), связывая это с постоянным поступлением подвижных форм Zn из лесных подстилок, богатых этим элементом [57]. В профиле серых лесных почв с глубиной количество подвижного Zn постепенно снижается, и на границе с карбонатным горизонтом оно вновь возрастает, что связано с растворением карбоната Zn (рис. 17.).
Цинк в черноземах. Среднее содержание Zn (66 мг/кг) в черноземах Центрального Черноземья близко к его кларку по АЛ. Виноградову (1957) и В.А. Ковде с соавт. (1959), но ниже среднего, рассчитанного В.В. Ковальским и Г.А. Андриановой (1970;, и равного 87 мг/кг [68, 143, 148]. По сравнению с литосферой в черноземах региона происходит небольшое рассеяние элемента (Кр=1.3). Распределение Zn в гор. Ар подчиняется закону нормального распределения, но модальное значение меньше среднего арифметического (рис. 21.).
Результаты корреляционного анализа показали, что между содержанием Zn в гор. А черноземов и почвообразующих породах существует прямая связь (г=0.63). Накоплению Zn в черноземных почвах способствуют их высокая гумусированность, насыщенность основаниями, нейтральная реакция и значительное содержание глинистой фракции. Выносу Zn с почвенно-грунтовыми водами препятствует наличие карбонатных горизонтов в черноземах, являющихся геохимическим барьером для многих тяжелых металлов, в том числе и для Zn. Однако, в условиях периодически промывного водного режима лесостепи может наблюдаться некоторый вынос и перераспределение Zn по профилю.
Подтипы черноземов заметно различаются по количеству Zn, что является следствием неодинакового содержания его в почвообразующих породах региона и уменьшения степени промываемое почвенно-грунтовой толщи в направлении с северо-запада на юго-восток (табл. 30). По уровню содержания Zn исследуемые черноземы образуют ряд: оподзоленные и выщелоченные типичные, обыкновенные и южные. Наряду с отмеченными выще факторами, обусловливающими различные запасы Zn в подтипах черноземов, установлено большое влияние гранулометрического состава на распределение Zn. Результаты корреляционного анализа подтверждают приуроченность Zn к илистым и пылеватым частицам (табл. 32). В пылеватых фракциях присутствуют тяжелые минералы, содержащие Zn в виде примеси. Профильное распределение элемента связано с распределением пироксенов в типичных черноземах, с гранатом в обыкновенных и с эпидотом в южных (рис. 19.). Находящиеся в илистой фракции высокодисперсные глинистые минералы прочно фиксируют Zn в межпакетных пространствах кристаллической структуры. Накопление Zn в илистой фракции черноземных почв подтверждается работами Д. Дьери и Н.Г. Зырина (1965), В.Б. Ильина (1973), П.Г. Адерихина и М.Т. Копаевой (1979) [11, 100, 120]. По их данным, в иле черноземов сосредоточено от 50 до 90% микроэлемента. Значительное содержание органического вещества в верхних горизонтах черноземов способствует образованию нерастворимых гуматов Zn [107 203]. В связи с этим распределение Zn по профилю черноземов региона характеризуется тенденцией постепенного уменьшения его количества от ГУМУсовОГО горизонта к породе. При этом степень варьирования концентра-изменяется незначительно (табл. 31). Аккумуляция Zn относительно породы в исследуемых почвах выражена только в типичных обыкновенных и южных (ТС == 2 Биогенное накопление Zn в верхних горизонтах черноземов подтверждается его прямой корреляцией с гумусом. Содержание подвижного Zn в черноземах весьма незначительное (табл. 33) и близкое к среднему содержанию подвижного Zn в черноземных почвах (0.17 мг/кг), предлагаемому В.В. Ковальским и Г.А. Андриановой (1970) [143]. На долю подвижного Zn в верхних горизонтах исследуемых почв региона приходится всего 0.1-0.7% его валовых запасов. Большая часть его представлена неактивными и труднодоступными формами для растений. В типичных, обыкновенных и выщелоченных тяжелосуглинистых и глинистых черноземах содержание подвижного Zn примерно одинаковое и колеблется в пределах 0.12-0.15 мг/кг. Несколько богаче подвижным Zn обыкновенные карбонатные черноземы. Для всех подтипов черноземов характерна большая пространственная неоднородность в содержании подвижного Zn, обусловленная различиями в гумусированности, гранулометрическом составе и величине рН. Количество подвижного Zn в целинных черноземах в несколько раз выше, чем в распаханных, что свидетельствует о значительном выносе элемента с урожаем культурных растений [150]. Распределение подвижного Zn по профилю черноземных почв носит неравномерный характер (рис.19.). Наблюдаются два максимума в его содержании: первый - в гумусовом горизонте, второй - в карбонатном (обыкновенные и южные черноземы). Наличие первого максимума в гор. А объясняется биогенной аккумуляцией подвижного Zn второго - образованием растворимых цинкатов [150]
Окско-Донскойпочвенно-геохимический округ
Окско-Донской почвенно-геохимический округ расположен в левобережье р. Дон на низменной слабодренированной Окско-Донской равнине с лесостепными ландшафтами. Окско-Донская равнина представляет собой одну из наиболее четко обособленных провинций лесостепной зоны. Она имеет низменную плоскую поверхность с незначительным вертикальным и горизонтальным расчленением. Четвертичные породы представлены водно-ледниковыми и древнеаллювиальными песками, приуроченными к долинам рек, и покровными лёссовидными суглинками и глинами на водоразделах. Наиболее распространены покровные лёссовидные тяжелые суглинки и глины, в меньшей степени - средние и легкие суглинки. Они характеризуются по сравнению с кларком литосферы пониженным содержанием всех элементов, кроме Zr, Mo, В и I, количество которых превышает кларк. Региональной особенностью Окско-Донского округа является сильно выраженная остепненность. На его территории развита почти исключительно типичная лесостепь. Только крайние северо- и юго-восточные районы относятся соответственно к подзонам северной и южной лесостепи [276]. Вследствие разнообразия геологических, гидрологических и геоморфологических условий местности, а также растительности почвенный покров Окско-Донского округа неоднороден. На его территории преобладают почвы черноземного типа, в меньшей мере распространены серые лесные и лугово-черноземные почвы. Особенности рельефа, почвообразующих пород, почвенного и растительного покрова, гидрологического режима на территории Окско-Донской округа создают своеобразные геохимические условия, формирующие неоднородный элементный состав почв, вследствие чего на его территории выделены четыре почвенно-геохимических района с определенным сочетанием и уровнем содержания химических элементов в почвах (рис. 48.).
В типичных черноземах и лугово-черноземных почвах в гумусовом горизонте аккумулируются Сг, V, Ni, Ті, Ва, Zr и особенно заметно - Мп и I. Почвы района имеют оптимальное содержание Si, Fe, Са, Ті, Ва, Zn, Си, Со, Ni. По сравнению с кларком они недостаточно обеспечены Al, S, Сг, Мп, Be, Sr, Mo, иногда V и I. В почвах наблюдается дефицит подвижных форм Мо, Zn, I, иногда Со. Почвы района, так же, как и почвообразующие породы, характеризуются повышенным содержанием Mg, Na, К, Р, Zr и В, в том числе подвижного В. По данным АЛ. Смирновой (1979), подземные воды района также обогащены В (0.14-1.12 мг/л) и в меньшей степени - I (0.25-0.47 мг/л) [253]. На почвах района эффективно применение борных удобрений под сахарную свеклу и кукурузу, медных и молибденовых под кукурузу, цинковых под кукурузу, просо, сахарную свеклу, плодовые [104,190 ]. На террасах рек Дон и Воронеж распространены светло-серые лесные супесчаные и песчаные почвы, развитые на флювиогляциальных и древнеаллювиальных отложениях. В них отмечается острый дефицит всех микроэлементов, кроме Zr. В эти почвы необходимо внесение йодных, молибденовых, марганцевых, цинковых, кобальтовых, медных и борных микроудобрений.
Цнинский почвенно-геохимический район приурочен к Цнинскому долинно-зандровому ландшафтному району северной лесостепи. Он занимает долину р. Цны и прилегающую к ней с востока песчаную равнину. Территория района сложена мощной толщей долинно-зандровых и аллювиальных песков, почти сплошь покрытых со-сново-широколиственными лесами. Преобладают водораздельно-зандровый, пойменный и надпойменно-террассовый типы местности. Район расположен в северовосточной части Мичуринско-Моршанского почвенно-климатического района выщелоченных черноземов. В этом районе широко распространены светло-серые и серые лесные почвы легкого гранулометрического состава. Залегают они на песках и супесях, часто содержащих следы Сг, V, Ni, Мп, Си, Zn, Со, В, Be. Вследствие легкого гранулометрического состава и неблагоприятных химических и физико-химических свойств светло-серые и серые лесные почвы испытывают недостаток всех элементов, кроме Zr. Эти почвы имеют низкую обеспеченность и подвижными формами К, Р, В, I, Мп, Си, Со, Zn. Темно-серые лесные почвы на покровных лёссовидных суглинках обладают тяжело- или среднесуглинистым гранулометрическим составом и более благоприятными химическими и физико-химическими свойствами. Вследствие этого содержание в них всех элементов (особенно Сг, V, Ni, Ti и Мп) заметно выше, чем в светло-серых лесных почвах, но ниже кларка. В гумусовом горизонте серых лесных почв наблюдается небольшое накопление малоподвижных элементов - Ti и Ва - и заметное - более подвижного Мп. Бор как наиболее подвижный элемент может вымываться из гумусового горизонта и накапливаться в нижней части профиля. Периодически промывной тип водного режима, кислая реакция, обедненность гумусом, обменными катионами, илистыми частицами, карбонатами, бедность микроэлементами почвообразующих пород обусловливают дефицит большинства элементов в серых леснык почвах. Наряду с серыми лесными почвами в Цнинском районе распространены черноземы выщелоченные мало- и среднегумусные и лугово-черноземные почвы суглинистого и тяжелосуглинистого гранулометрического состава на покровных лёссовидных суглинках и глинах. Они богаты гумусом, обменными катионами, имеют слабокислую реакцию, часто сильно вьщелочены. По сравнению с серыми лесными почвами черноземы богаче всеми элементами, кроме Zr. В то же время они имеют пониженное по отношению к кларку содержание Сг, V, Мп, Мо, Be, I, Sr; повышенное - Zr и В и близкое к кларку - Ni, Ті, Си, Со, Zn, Ва. В гумусовом горизонте черноземных почв происходит небольшое накопление Сг и Ti и заметное - Р, S, Мп, I. Аккумуляция Sr приурочена к карбонатному горизонту. Таким образом, почвы Цнин-ского района характеризуются оптимальным количеством Si, Mg и Ва, недостаточным уровнем содержания Al, Fe, Са, Р, S, Сг, V, Мо, Мп, Си, Со, Be, Sr, I, иногда Zn, Ni и Ti, подвижных соединений Zn, Со, Мо, I, иногда Си и Мп и избыточного - К, Na, В и Zr. В целях получения полноценной сельскохозяйственной продукции необходимо применение соответствующих микроудобрений и подкормок животных.
Воронежский почвенно-геохимический район занимает Центральный плоскоместный и северную часть Южного Битюго-Хоперского ландшафтного района типичной лесостепи. Территориально он полностью совпадает с Воронежско-Сампурским почвенно-климатическим районом типичных мощных и среднемощных черноземов. Этот почвенно-геохимический район расположен в центральной части Окско-Донской равнины, характеризующейся спокойной слаборасчлененной плоской поверхностью с множеством западин. Преобладает плакорный тип местности. Водораздельные достаточно дренированные равнины с глубиной залегания грунтовых вод более 7 м заняты типичными и реже выщелоченными черноземами. На обширныс не дренированных междуречьях с неглубоким (3-5 м) залеганием грунтовых вод господствуют лугово-черноземные почвы с луговыми солонцами и солодями по западинам. Черноземы этого района наиболее плодородны. Они имеют значительное содержание гумуса, нейтральную реакцию, большую насыщенность основаниями, высокую емкость поглощения, тяжелый гранулометрический состав. Покровные лёссовидные карбонатные глины и тяжелые суглинки, на которых сформировались почвы района, обогащены В и I. По сравнению с черноземами северных районов в черноземных почвах Воронежского района отмечается более высокий уровень содержания Сг, Ni, Со, Ті, Мп, В, I, Sr. Вследствие утяжеления гранулометрического состава в них уменьшается количество Zr. По данным А.Я. Смирновой (1979), подземные воды района богаты В (0.55-1.34 мг/л). В результате гидрогенной аккумуляции почвы содержат повышенное количество подвижного В (1.5-2.5мг/кг) и валового I (6.5 мг/кг). Кроме того, в этих почвах имеет место и энергичная биогенная аккумуляция 1. На возможность гидрогенной аккумуляции Мп в этих условиях указывают И.В. Якушев-ская и А.Г. Мартыненко (1972) [292]. Вследствие аккумулятивных процессов концентрация I и В в породах и почвах района заметно превосходит кларк. Количество Сг, Be и Sr остается ниже кларка. Запасы остальных элементов близки к кларку. В гумусовом горизонте черноземных почв наблюдается заметное накопление Р, S, Ni, Си, Zn, Со, Ti, Be, Zr, В и интенсивное - Мп и I. Sr аккумулируется в карбонатном горизонте, частично за счет гидрогенной миграции. Таким образом, в условиях непромывного типа водного режима, нейтральной реакции, высокого окислительно-восстановительного потенциала, высокой гумусированности, насыщенности почв основаниями, богатства илистыми частицами и наличия карбонатного геохимического барьера понижается миграционная способность многих элементов и происходит их закрепление в почвенном профиле. Из-за недостаточного количества влаги и высокого содержания Са легкоподвижные элементы, (например, В и I) также фиксируются почвой. I очень прочно связывается и гумусом. В водорастворимом состоянии находится 1-1.5% его валового содержания. В карбонатном горизонте иногда накапливаются Be, V, реже В. Большинство химических элементов - Si, Al, Fe, Na, Ті, Мп, Ni, Zn Cu Zr - имеет оптимальное содержание. В целом в почвах района отмечается только недостаток Сг, V, Мо, Sr, Be и подвижных форм Zn и I на фоне повышенного содержания Са, Mg, К, Р, S, Ва, В, Со, I. В таких условиях можно ожидать положительную реакцию сельскохозяйственных культур на молибденовые и цинковые удобрения. В полевых опытах, поставленых различными исследователями, положительный эффект получен от применения на черноземах района медных, молибденовых и марганцевых удобрений под кукурузу; борных и цинковых - под сахарную свеклу и кукурузу; кобальтовых - под зерновые культуры [44, 104, 130, 293].
