Поиск

Микроэлементы в почвах
29.10.2015

В почвах происходят накопление, поглощение и закрепление большого числа микроэлементов. В этой связи можно говорить о педосфере в целом и особенно о гумусовой оболочке как своеобразном биогенном экране на пути миграции микроэлементов в зоне гипергенеза.
Выше уже отмечалась способность растительного опада и гумуса поглощать и частично накапливать микроэлементы в форме солей, хелатов, в обменной и адсорбированной форме. Такой же способностью обладает вся криптокристаллическая коллоидная и предколлоидная часть почвы, т. е. ее почвенный поглощающий комплекс. Поглощение микроэлементов происходит различными путями: микроэлементы могут входить в состав поглощенных катионов, в кристаллическую решетку глинных минералов в результате изоморфного замещения; могут давать «собственные коллоидные» минералы и могут адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц. Наибольшее значение имеет закрепление микроэлементов в кристаллической решетке. Подобным образом возможно необменное поглощение большого количества важнейших микроэлементов (до 20—40% от веса минерала2). Например, в монтмориллонитах алюминий в октаэдрах может замещаться на Fe+2, Mg+2, Ni+2, Zr+2, Cu+2, Co+2, в вермикулитах — на Mg+2, Fe+2, Fe+3, Cr+3, V+3. В хлоритах кремний в кремнекислородных тетраэдрах замещается на Al+3 и Fe+3, алюминий в октаэдрах — на Fe+3, Cr+3, Mn+3, магний в бруситовом слое —на Fe+2, Mn+2, Ni+2.
Глинные минералы почв способны к поглощению значительных количеств молибдат-иона в основном за счет свободных положительных валентностей в ионногенном слое кристаллической решетки. В наибольшей степени поглощение выражено в группе монтмориллонитовых минералов и в меньшей — в иллитах.
При достаточно высокой концентрации микроэлементов в почвах и водах возможно образование коллоидных минералов окислов (марганца, реже меди, хрома). В зоне ореолов рассеяния, близ месторождений, характерно выпадение из пересыщенных растворов метаколлоидных минералов: карбонатов, молибдатов, вольфраматов, содержащих большие количества микроэлементов. Ряд таких минералов: тенорит — СuО, дельтерит — TiO2*nH2O, пиролюзит — MnO2, псиломеланы (RMnO) — mМnO2*nН2O, вады — MnO2 с примесью CuO, CoO, ZnO, PbO2, Fe2O3, ВаО, розазит — (CuZn)2(OH)2CO3, бейерит — Ca(BiO)2(CO3)2, феррамолибдат — Fe3(MoO4)3*7Н2O, тypeнит— Cu5(OH)4(VO4)2, приведен в работе Ф.В. Чухрова.
Приуроченность микроэлементов к коллоидам находит отражение в повышенном содержании их в илистой фракции (табл. 58). В большинстве случаев коэффициент накопления достигает 2—3 (т. е. содержание микроэлементов в илистой фракции в 2—3 раза больше, чем в почве в целом). Во многих почвах до 60—80% от валового содержания микроэлементов сосредоточено в илистой фракции. Значительная доля микроэлементов содержится в мелкопылеватой фракции. Более крупные частицы обычно обеднены микроэлементами. Эта общая тенденция (табл. 59) хорошо прослеживается для меди, никеля, марганца, несколько менее четко — для кобальта и молибдена.

Микроэлементы в почвах
Микроэлементы в почвах

Данные по относительному содержанию марганца в иле несколько противоречивы. Н.Г. Зырин считает, что это обусловлено способом выделения из почвы илистой фракции, т. е. разрушается или нет при этом окисная пленка на поверхности более крупных частиц, содержащая очень большое количество марганца. В обогащении илистой фракции микроэлементами наблюдается определенная селективность, избирательность как для отдельных микроэлементов, так и для различных почв. Это проявляется в значительном варьировании коэффициентов корреляции между содержанием микроэлементов в почвах и илистой фракции их (табл. 60). Например, корреляция Co с илом в тропических и серых лесных почвах высокая, в черноземах Молдавии — низкая. В одной и той же почве различные микроэлементы проявляют неодинаковую степень родства с илистой фракцией.
Корреляция микроэлемент — ил нарушается при более высокой степени зависимости микроэлемента от органического вещества, солевых аккумуляций, первичных минералов, накапливающихся часто в более крупных фракциях, и т. д.
Микроэлементы в почвах

Значительное накопление микроэлементов происходит в почвенных новообразованиях. По-видимому, это определяется коллоидной природой новообразований. Ho неполная ясность генезиса и специфичность почвенных новообразований позволяют рассматривать этот путь накопления микроэлементов в почвах отдельно. Известна высокая аккумуляция марганца в железистых новообразованиях, в конкрециях, трубочках, пленках, ортштейнах (до 10—15%) и некоторых пойменных наилках (табл. 61). Кроме марганца, в железистых новообразованиях возможна аккумуляция ванадия, никеля, кобальта, меди, хрома, молибдена. Карбонатные конкреции обычно содержат повышенные количества бария, стронция, циркония, ванадия, меди. Гипсовые скопления обогащены стронцием, в меньшей степени марганцем, титаном, медью и ванадием. К хлоридно-сульфатным аккумуляциям приурочены повышенные кларки бора, стронция, лития (табл. 62).
Микроэлементы в почвах

Взаимосвязи микроэлементов с гумусом, минеральными коллоидами, новообразованиями отражаются, естественно, на характере распределения их по генетическому профилю почв. Перемещение микроэлементов с вертикальным и горизонтальным стоком и осаждение на этом пути микроэлементов в зонах геохимических барьеров (резкое изменение pH, Eh, глинистые прослойки, карбонатные горизонты, скопления легкорастворимых солей и т. д.) — процесс, протекающий беспрерывно; он усиливает контрастность микроэлементных профилей почв и дифференциацию микроэлементов в почвах сопряженных ландшафтов. Участие микроэлементов в педогеохимических процессах формирует как микроэлементный профиль почв (табл. 63), так и ландшафтно-геоморфологическое перераспределение их.
Почвы с элювиально-иллювиальным профилем характеризуются обычно четким перераспределением микроэлементов, с обеднением элювиального и обогащением иллювиального или гумусового горизонтов, в зависимости от степени гумусированности и «иллювиированности». Черноземным и каштановым почвам свойственно более равномерное распределение микроэлементов по профилю. Однако в ряде случаев наблюдается некоторое увеличение их содержания в гумусовых (например, йода, кобальта, возможно цинка) и карбонатных (меди, бора, цинка, кобальта, никеля) горизонтах.
Более сложен микроэлементный профиль гидроморфных и полугидроморфных почв. Поступление микроэлементов из почвенно-грунтовых вод нарушает чисто биогенное распределение микроэлементов. В зависимости от степени гидрогенной аккумуляции и уровня капиллярной каймы грунтовых вод возможен самый разнообразный характер распределения микроэлементов: совпадение гидрогенного и биогенного накопления, преобладание той или другой формы аккумуляции на разных глубинах в почве. В любом из вариантов в горизонтах испарения капиллярных токов от грунтовых вод происходит выпадение микроэлементов из раствора и их абсолютное или относительное накопление.
Микроэлементы в почвах

В поймах и дельтах рек, где микроэлементы поступают добавочно с паводковыми водами (механическая аккумуляция), распределение их по профилю еще более осложняется. Механическая аккумуляция накладывается на биогенную, усиливая концентрацию микроэлементов в верхней части профиля.
Распределение микроэлементов по профилю почв характеризуется величинами коэффициентов накопления (табл. 64), вычисленных по соотношению микроэлемента в породе и генетических горизонтах почв (содержание в породе принято за 1).
Распределение микроэлементов в почвах сопряженных ландшафтов чаще всего проявляется в абсолютном и относительном обогащении ими почв гидроморфных подчиненных ландшафтов. Особенно выделяются почвы пойм крупных рек и низменностей, где, кроме поступления микроэлементов из почвенно-грунтовых вод, происходит принос их в растворенном и взвешенном состоянии с водораздельных пространств. Эта дифференциация по основным сопряженным ландшафтам свойственна микроэлементам сравнительно подвижным, легко мигрирующим и выпадающим в зоне геохимических барьеров. В таежных условиях такими элементами будут железо, марганец, медь, кобальт, ванадий, В пойменных почвах они накапливаются и закрепляются в составе наилка, в новообразованиях, синтезированных глинных минералах, живых организмах и органическом веществе. Биогенное накопление происходит во всех почвах и во всех ландшафтах, но поймы рек по сравнению с водораздельными пространствами выделяются повышенной биогенностью, высокой плотностью жизни, поэтому путь поглощения микроэлементов в данном случае выделяется и подчеркивается.
Микроэлементы в почвах

Для степных зон характерна повышенная миграция стронция, бария, бора, фтора и соответствующее накопление их в почвах подчиненных ландшафтов (табл. 65). Наблюдается также абсолютная и относительная аккумуляция микроэлементов в аквальных подчиненных ландшафтах: в донных отложениях озер и подводных почвах (табл. 66).
Микроэлементы в почвах

Отмеченные закономерности проявляются, однако, не всегда и не везде. Они не наблюдаются в районах, где почвы и породы автономных ландшафтов характеризуются резко повышенными кларками микроэлементов (выходы богатых пород или различия в механическом составе почв — тяжелых водораздельных и легких — пойменных). В этом случае дифференциация микроэлементов в почвах сопряженных ландшафтов отсутствует или сохраняется количественное преобладание микроэлементов в автономных почвах. Последний вариант возможен для районов, где микроэлементы закрепляются прочно в почвах и не выносятся горизонтальным током. Подобным образом на водоразделах таежной зоны улавливаются и закрепляются карбонатным экраном (карбонатные прослойки, карбонатная морена) микроэлементы семейства железа.
Все особенности «поведения» микроэлементов в почвообразовательном процессе и содержание их в материнских породах обусловливают уровень микроэлементов в главных типах почв. Для большинства микроэлементов между их содержанием в породах и почвах обнаруживается прямая достоверная корреляция (r = 0,5—0,8; табл. 67). Очень низкие коэффициенты корреляции получены для йода, в ряде случаев для Co и Mn — микроэлементов, отличающихся высокой биогенностью.
Микроэлементы в почвах

Влияние всех перечисленных выше факторов, помимо породы, приводит к тому, что даже в почвах на одних и тех же отложениях варьирование в содержании микроэлементов все же значительно.
Коэффициенты варьирования особенно велики для Mn и В (табл. 68).
По степени варьирования содержания микроэлементы могут быть расположены в следующий убывающий ряд: Mn>B (Cu, Zn, Ni, Co, V, Cr)>Mo>J.
Пестрота в содержании микроэлементов в почвах СССР возрастает с юга на север, от каштановых и черноземных почв к серым лесным и подзолистым, параллельно с увеличением варьирования а содержании гумуса, поглощенных оснований, с увеличением пестроты материнских пород и т. д.
Высокие коэффициенты варьирования содержания микроэлементов в. почвах приводят к тому, что средние данные по типам почв сильно отличаются у разных авторов. Ho тем не менее на основании сопоставления большого количества материала возможно констатировать следующие общие положения (табл. 69): микроэлементы семейства железа, за исключением марганца, преобладают на Русской равнине в степных и сухостенных почвах (на лёссах и лёссовидных карбонатных суглинках). Марганец содержится в больших количествах в почвах подзолистой зоны. Эта общая тенденция в распределении микроэлементов несколько нарушается близ Уральского хребта, вдоль которого благодаря влиянию горных пород расположена педогеохимическая зона, обогащенная микроэлементами семейства железа. Количество бора и молибдена достигает наибольших величин в засоленных почвах, особенно солончаках, в области солевых аккумуляций. Йод накапливается в почвах морских побережий и приморских областей с преобладанием в гумусированных почвах.
Микроэлементы в почвах

Содержание валовых форм микроэлементов в почвах дает лишь ориентировочное представление об обеспеченности почв микроэлементами, о возможном дефиците или избытке их. Растительность может использовать только часть микроэлементов, находящуюся в физиологически доступной подвижной форме. Изучение этих форм микроэлементов представляет особенно большой интерес (табл. 70, 71).
В настоящее время для определения подвижных форм применяют разнообразные методы. Вытяжки, которыми извлекают микроэлементы из почв, обладают разной растворяющей способностью. Диапазон применяемых реактивов чрезвычайно велик — от сильных кислот до воды. Наибольшее количество анализов почв выполнено по методу Ринькиса — Пейве (0,1 н. H2SO4 для Mn; 1 н. KCl для Zn; 1 н. HCl для Cu; 1 н. HNO3 для Co; оксалатный буферный раствор, по Григу, для Mo и водная вытяжка для В). Степень обеспеченности почв подвижными формами микроэлементов, установленная этим методом, приведена в табл. 72. Между тем значительная часть применяемых в этом методе вытяжек очень агрессивна и вряд ли отвечает действительно доступным формам. Критерием доступности микроэлементов должны быть сами растения. При сопоставлении потребления микроэлементов растениями и количеством микроэлементов, извлекаемых агрессивными вытяжками, установлено, что используется менее 1 % от содержания подвижных форм микроэлементов в почвах. Опыты проводились с сахарной свеклой, ячменем, пшеницей, овсом и другими сельскохозяйственными культурами.
Микроэлементы в почвах

Интересные результаты получены при сопоставлении количества микроэлементов, выделенных из почв различными вытяжками, и количества микроэлементов, использованных проростками растений. Метол проростков — один из наиболее оперативных и перспективных, хотя не лишен недостатков, поскольку опыты проводятся только с растениями, имеющими мелкие семена (содержащие минимальные количества микроэлементов), а результаты исследования относятся только к первым стадиям развития растений. Ho тем не менее вопрос доступности решается, хотя и с некоторой долей условности, самими растениями.
Исследованиями методом проростков установлена наибольшая целесообразность применения неагрессивных вытяжек для определения действительно доступных форм микроэлементов (фактор интенсивности). Раствор Барона и 2,5% раствор CH3COOH для Mn, Cu и Zn, 1 н. KCl для Zn, 0,4 н. MgSO4 для Mo дают результаты, наиболее сопоставимые с количеством микроэлементов, используемых проростками растений (коэффициент корреляции 0,8—0,99). В эти вытяжки переходят главным образом воднорастворимые соединения и легко обменивающиеся ионы. Сильно действующие агрессивные вытяжки характеризуют потенциальные запасы подвижных микроэлементов (фактор емкости).
Количество подвижных форм микроэлементов в почвах варьирует в значительно большей степени (в 2—4 раза), чем валовое содержание; коэффициент варьирования достигает 60—75%. Варьирование наблюдается не только в пространстве, но и во времени, в течение вегетационного периода (табл. 73). Колебания содержания подвижных форм микроэлементов в динамике в ряде случаев превышают варьирование в пространстве. Это обстоятельство еще больше затрудняет определение подвижных форм микроэлементов в почвах. Одноразовые определения дают малодостоверные результаты.
Микроэлементы в почвах

Варьирование подвижных форм микроэлементов во времени определяется в основном динамичностью условий среды (влажностью, величинами pH, Eh) и интенсивностью потребления микроэлементов растительностью.
Варьирование в пространстве связано с содержанием валовых форм микроэлементов, количеством гумуса, карбонатов, илистой фракции и т. д. Наибольшая корреляция прослеживается между содержанием подвижных и валовых форм микроэлементов, взаимосвязь с другими свойствами почв менее четкая (рис. 73, табл. 74).
Микроэлементы в почвах

Микроэлементы в почвах