Содержание 

Введение

     В комплексе вопросов повышения продуктивности почв огромна роль микроэлементов, круговорота их в системе «почва–растение». В биогеохимической цепи «почвообразующая порода–почва–растение–животное–человек» почве принадлежит определяющая роль, как основному источнику микроэлементов для растений и животных, косвенно влияющему на химический состав природных вод.

     Роль  микроэлементов, как регуляторов  жизненных процессов для нормальной жизнедеятельности организмов, исключительно велика. Всегда актуальны и необходимы разработки методов и способов регуляции содержания как отдельных микроэлементов, так и их комплексов в среде обитания для устранения их дефицита или избытка, чтобы поддерживать высокие функциональные и продукционные способности растений, животных, а также в предупреждении и лечении отдельных эндемических заболеваний человека.

     Оптимизация питания растений, повышение эффективности  внесения удобрений в огромной степени  связаны с обеспечением оптимального соотношения в почве макро- и  микроэлементов. Причем это важно  не только для роста урожая, но и повышения качества продукции растениеводства и животноводства. Следует учитывать также и то, что новые высокопродуктивные сорта имеют интенсивный обмен веществ, который требует достаточной обеспеченности всеми элементами питания, включая и микроэлементы. При возделывании сельскохозяйственных культур по интенсивным технологиям растет их потребность в микроэлементах, и при этом изменяются коэффициенты использования растениями макроудобрений. Вместе с тем на подвижность микроэлементов на их поступление в растения в большой степени влияют свойства почв, применение органических и минеральных удобрений, известкование. При достаточной обеспеченности почв макроэлементами, благодаря вносимым удобрениям, недостаток микроэлементов может стать лимитирующим фактором роста урожайности сельскохозяйственных культур.

     Дефицит микроэлементов в почвах может служить  барьером, препятствующим получению наибольшего эффекта от применения основных минеральных удобрений. Объясняется это тем, что недостаток микроэлементов приводит к нарушению важнейших биохимических процессов в организме растения. Не исключено, что наблюдаемая во многих случаях низкая отдача от применения основных минеральных удобрений обусловлена наряду с другими причинами дефицитом микроэлементов в почвах. В то же время химическая промышленность не удовлетворяет потребность сельского  хозяйства в микроудобрениях и поэтому их применение крайне ограничено. Отсюда остро стоит вопрос рационального использования микроудобрений.

     Целью данной работы является изучение содержания и форм микроэлементов в почвах разных зон. 
 

Глава 1. Теоретический анализ литературы по проблеме исследования

1.1. Понятие и роль  микроэлементов

     Микроэлементами называют химические элементы, необходимые для нормальной жизнедеятельности растений и животных, и используемые растениями и животными в микроколичествах по сравнению с основными компонентами питания. Однако биологическая роль микроэлементов велика. Ряд ученых называют их «элементами жизни», как бы подчеркивая, что при отсутствии указанных элементов жизнь растений и животных становится невозможной. Недостаток микроэлементов в почве является причиной снижения скорости и согласованности протекания процессов, ответственных за развитие организма. В конечном итоге растения не полностью реализуют свой потенциал и формируют низкий и не всегда качественный урожай, а иногда и погибают.

     Микроэлементы не могут быть заменены другими веществами, и их недостаток обязательно должен быть восполнен с учетом формы, в которой они будут находиться в почве. Растения могут использовать микроэлементы только в водорастворимой форме (подвижной форме микроэлемента), а неподвижная форма может быть использована растением после протекания сложных биохимических процессов с участием гуминовых кислот почвы. В большинстве случаев эти процессы проходят очень медленно, а при обильном орошении грунта значительная часть образующихся подвижных форм микроэлементов вымывается. Все микроэлементы жизни, корме бора, входят в состав тех или иных ферментов. Бор не входит в состав ферментов, а локализуется в субстрате и участвует в перемещении сахаров через мембраны, благодаря образованию углеводно-боратного комплекса.

     Основная  роль микроэлементов в повышении  качества и количества урожая заключается  в следующем:

     1. При наличии необходимого количества микроэлементов растения имеют возможность синтезировать полный спектр ферментов, которые позволят более интенсивно использовать энергию, воду и питание (N, P, K), и, соответственно, получить более высокий урожай.

     2. Микроэлементы и ферменты на их основе усиливают восстановительную активность тканей и препятствуют заболеванию растений.

     3. Микроэлементы являются одними  из тех немногих веществ, которые повышают иммунитет растений. При их недостатке создается состояние физиологической депрессии и общей восприимчивости растений к паразитным болезням.

     4. Большинство микроэлементов являются активными катализаторами, ускоряющими целый ряд биохимических реакций. Совместное влияние микроэлементов значительно усиливает их каталитические свойства. В ряде случаев только композиции микроэлементов могут восстановить нормальное развитие растений.

     Однако  сведение роли микроэлементов только к их каталитическому действию было бы неверным. Микроэлементы оказывают большое влияние на биоколлоиды и влияют на направленность биохимических процессов. Так, марганец регулирует соотношение двух- и трехвалентного железа в клетке. Медь защищает от разрушения хлорофилл, бор и марганец активизируют процессы фотосинтеза после подмерзания растений. Неблагоприятное соотношение азота – фосфора – калия может вызвать болезни растений, которые излечиваются микроудобрениями.

     Из  анализа результатов отечественных  и зарубежных специалистов по исследованию эффективности применения микроэлементов в сельском хозяйстве вытекает следующее:

     1. Недостаток в почве усваиваемых  форм микроэлементов ведет к снижению урожая сельскохозяйственных культур и к ухудшению его качества, является причиной появления различных болезней (бактериоз льна, сердцевинная гниль и дуплистость свеклы, пробковая пятнистость яблок, пустозернистость злаков, розеточная болезнь плодовых и различные хлорозные заболевания).

     2. Оптимальным является одновременное поступление макро- и микроэлементов, особенно это касается фосфора и цинка, нитратного азота и молибдена.

     3. В течение всего вегетационного периода растения испытывают потребность в основных микроэлементах, а некоторые не реутилизируются, т.е. не используются повторно в растениях. Они не передвигаются из старых органов в более молодые.

     4. Микроэлементы в биологически активной форме в настоящее время не имеют себе равных при внекорневых подкормках, которые особенно эффективны при использовании их в сочетании с макроэлементами. При корневом питании растений наблюдается апронетальный градиент концентрации, особенно бора и цинка. Концентрация этих веществ в растении убывает снизу вверх.

     5. Профилактические дозы биологически активных микроэлементов, вносимые независимо от состава почвы, не влияют на общее содержание микроэлементов в почве, но оказывают благоприятное воздействие на состояние растений.

     При использовании их исключается состояние  физиологической депрессии у  растений, что приводит к повышению  их устойчивости к различным заболеваниям, что в целом скажется на повышении  количества и качестве урожая.

     6. Необходимо особо отметить, что микроэлементы проявляют свое позитивное влияние на продуктивность, рост и развитие растений, обмен веществ только при внесении их строго определенными нормами в наиболее оптимальные сроки (при использовании эффективных методов их внесения).

     Различные сельскохозяйственные культуры отличаются и потребностью в отдельных микроэлементах.  

     Осведомленность в потребности и реакции растений на воздействие микроэлементов может служить предпосылкой для применения микроудобрений в целях повышения устойчивости растений к болезням и роста их продуктивности.

1.2. Характеристика микроэлементов

     Рассмотрим  влияние отдельных микроэлементов на  сельскохозяйственные растения.

     Бор. Для многих растений этот элемент  необходим в течение всего вегетационного периода. Внешние признаки борного голодания изменяются в зависимости от вида растений, однако, можно привести ряд общих признаков, которые характерны для большинства высших растений¹. При недостатке бора наблюдается замедление роста корня и стебля, затем появляется хлороз верхушечной точки роста, а позже при сильном борном голодании следует полное её отмирание. Из пазух листьев развиваются боковые побеги, растение усиленно кустится, однако вновь образовавшиеся побеги, вскоре тоже останавливаются в росте и повторяются все симптомы заболевания главного стебля. Особенно сильно страдают от недостатка бора репродуктивные органы растений, при этом больное растение может совершенно не образовывать цветков или их образуется очень мало, отмечается пустоцвет, опадание завязей.

     Исключительно важную функцию выполняет бор в углеводном обмене. Бор способствует и лучшему использованию кальция в процессах обмена веществ в растениях. Поэтому при недостатке бора растения не могут нормально использовать кальций, хотя последний находится в почве в достаточном количестве. Установлено, что размеры поглощения и накопления бора растениями возрастают при повышении калия в почве.

     В этой связи применение борсодержащих удобрений и улучшение обеспечения растений этим элементом способствует не только увеличению урожайности, но и значительному повышению качества продукции. Улучшение борного питания ведет к повышению сахаристости сахарной свеклы, увеличению содержания витамина С и сахаров в плодово-ягодных культурах, томатах и т. д.

     Медь. Различные сельскохозяйственные культуры обладают неодинаковой чувствительностью к меди. Растения можно расположить в следующем порядке по убывающей отзывчивости на медь: пшеница, ячмень, овес, лен, кукуруза, морковь, свекла, лук, шпинат, люцерна и белокочанная капуста. Средней отзывчивостью отличаются картофель, томат, клевер красный, фасоль, соя. Сортовые особенности растений в пределах одного и того же вида имеют большое значение и существенно влияют на степень проявления симптомов медной недостаточности².

     Признаки  медного голодания проявляются  чаще всего на торфянистых и на кислых песчаных почвах. Симптомы заболевания растений при недостатке в почве меди проявляются для зерновых в побелении и засыхании кончиков листовой пластинки. При сильном недостатке меди растения начинают усиленно куститься, но в дальнейшем колошения не происходит, и весь стебель постепенно засыхает.

     Недостаток  меди часто совпадает с недостатком цинка, а на песчаных почвах также с недостатком магния. Внесение высоких доз азотных удобрений усиливает потребность растений в меди и способствует обострению симптомов медной недостаточности.

     Марганец. Роль марганца в обмене веществ у растений сходна с функциями магния и железа. Поскольку марганец активизирует ферменты в растении, его недостаток сказывается на многих процессах обмена веществ, в частности на синтезе углеводов и протеинов³.

     Физиологическая роль марганца в растениях связана, прежде всего, с его участием в  окислительно-восстановительных процессах, проходящих в живой клетке, он входит в ряд ферментных систем и принимает участие в фотосинтезе, дыхании, углеводном и белковом обмене и т.п. Марганец участвует не только в фотосинтезе, но и в синтезе витамина С. При недостатке марганца понижается синтез органических веществ, уменьшается содержание хлорофилла в растениях, и они заболевают хлорозом.

     Симптомы  марганцевой недостаточности у  растений проявляются чаще всего  на карбонатных, торфянистых и других почвах с высоким содержанием  органического вещества. Недостаток марганца у растений проявляется в появлении на листьях мелких хлоротичных пятен, располагающихся между жилками, которые остаются зелеными. При марганцевом голодании отмечается также слабое развитие корневой системы растений. Наиболее чувствительными культурами к недостатку марганца являются свекла сахарная, кормовая и столовая, овес, картофель, яблоня, черешня и малина. У плодовых культур наряду с хлорозным заболеванием листьев отмечается слабая облиственность деревьев, более раннее, чем обычно опадание листьев, а при сильном марганцевом голодании – засыхание и отмирание верхушек веток. При недостатке марганца в первую очередь страдают молодые, растущие органы. Поступление марганца в растения снижается при низкой температуре и высокой влажности почвы, что чаще всего наблюдается ранней весной, и от этого в значительной степени страдают озимые⁴.

     Молибден. Физиологическая роль молибдена связана с фиксацией атмосферного азота, редукцией нитратного азота в растениях, с его участием в окислительно-восстановительных процессах, углеводном обмене, в синтезе хлорофилла и витаминов⁵.

     В настоящее время молибден по своему практическому значению выдвинут на одно из первых мест среди других микроэлементов, так как этот элемент оказался весьма важным фактором в решении  двух кардинальных проблем современного сельского хозяйства – обеспечения растений азотом, а сельскохозяйственных животных белком. Под влиянием молибдена в растениях увеличивается содержание хлорофилла, углеводов, каротина и аскорбиновой кислоты, повышается содержание белковых веществ.

     При недостатке молибдена в тканях растений накапливается большое количество нитратов и нарушается нормальный  обмен веществ у растений. Симптомам молибденовой недостаточности предшествует в первую очередь изменение в азотном обмене у растений. При недостатке молибдена тормозится процесс биологической редукции нитратов, замедляется синтез аминов, аминокислот и белков. Все это приводит не только к снижению урожая, но и к резкому ухудшению его качества. Недостаток молибдена в растениях проявляется в светло-зелёной окраске листьев, при этом сами листья становятся узкими, края их закручиваются вовнутрь и постепенно отмирают, появляется крапчатость, жилки листа остаются светло-зелёными.

     Цинк. Агрохимическими исследованиями установлена  необходимость цинка для большого количества видов высших растений. Его физиологическая роль в растениях многосторонняя. Цинк играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах, протекающих в растительном организме. Он является составляющей частью ферментов и непосредственно участвует в образовании хлорофилла, способствует синтезу витаминов⁶.

     Многие  исследования подтвердили, что содержание белка в растениях при недостатке цинка уменьшается. Под влиянием цинка повышается синтез сахарозы, крахмала, общее содержание углеводов  и белковых веществ. Применение цинковых удобрений увеличивает содержание аскорбиновой кислоты, сухого вещества. Цинковые удобрения повышают засухо-, жаро- и холодоустойчивость растений⁷.

     Недостаток  цинка для растений чаще всего наблюдается на песчаных и карбонатных почвах, мало доступного цинка на торфяниках⁸. Недостаток цинка сильнее сказывается на образовании семян, чем на развитии вегетативных органов. Симптомы цинковой недостаточности широко встречаются у различных плодовых культур (яблоня, черешня, японская слива, орех, пекан, абрикос, лимон, виноград). Особенно страдают от недостатка цинка цитрусовые культуры.

     Кобальт. Кобальт принимает активное участие  в реакциях окисления и восстановления, оказывает положительное влияние  на дыхание и энергетический обмен, а также биосинтез белка нуклеиновых кислот. Благодаря своему положительному влиянию на обмен веществ, синтез белков, усвоение углеводов и т.п. он является мощным стимулятором роста.

     Положительное действие кобальта на сельскохозяйственные растения проявляется в усилении  азотфиксации бобовых, повышении содержания хлорофилла в листьях и снижении темпов его распада в темноте, повышении содержания витамина В12 в клубеньках⁹.

     Этот  микроэлемент влияет на накопление сахаров  и жиров в растениях, благоприятно действует на процесс синтеза хлорофилла в листьях растений, уменьшает его распад в темноте, увеличивает интенсивность дыхания, содержание аскорбиновой кислоты в растениях. В результате внекорневых подкормок кобальтом в листьях растений повышается общее содержание нуклеиновых кислот.

     Доказано  положительное действие кобальта на томаты, горох, гречиху, ячмень, овес и другие культуры.

     Применение  кобальта в виде удобрений под  полевые культуры повышает урожай сахарной свеклы, зерновых культур и льна. Ячмень под влиянием этого элемента быстрее созревает, а в семенах льна отмечено накопление большего количества жира. При удобрении винограда кобальтом перед цветением повышается урожай его ягод, их сахаристость и снижается кислотность.

     Железо. По мнению ученых¹⁰, из всех содержащихся в растениях микроэлементов железу принадлежит, несомненно, ведущая роль. Это подтверждается более высоким уровнем его содержания в растениях по сравнению с другими элементами.

     Железо  в составе органических соединений необходимо для окислительновосстановительных процессов, происходящих при дыхании и фотосинтезе. Это объясняется очень высокой степенью  каталитических свойств этих соединений.

     Неорганические  соединения железа также способны катализировать многие биохимические реакции, а в соединении с органическими веществами каталитические свойства железа возрастают во много раз.

     Каталитическое  действие железа связано с его  способностью менять степень окисления. Атом железа окисляется и восстанавливается сравнительно легко, поэтому соединения железа являются переносчиками электронов в биохимических процессах. Процессы эти осуществляются ферментами, содержащими железо.

     Железу  также принадлежит особая функция  – непременное участие в биосинтезе хлорофилла. Поэтому любая причина, ограничивающая доступность железа для растений, приводит к тяжелым заболеваниям, в частности к хлорозу.

     При недостатке железа листья растений становятся светло-желтыми, а при голодании  – совсем белыми (хлоротичными). 

Глава 2. Микроэлементы в  почвах разных зон

     По  данным геохимического обследования почв различными исследователями главным источником микроэлементов для почвы являются почвообразующие породы.

     При этом наблюдается прямая зависимость между содержанием микроэлементов в материнских породах и сформировавшихся на них почвах.

     Почвообразующие породы разного гранулометрического  состава содержат заметно различающиеся  количества микроэлементов: небольшое – песчаные и супесчаные; более высокое – суглинистые и глинистые (табл.1). Основная причина этого – несхожесть минералогического состава почвообразующих пород (кварц в песчаных и глинистые минералы в суглинках и глинах). Таким образом, содержание большинства микроэлементов в почвообразующих породах увеличивается при утяжелении их гранулометрического состава.

     Таблица 1

     Валовое содержание микроэлементов в основных почвообразующих породах

     Естественное  содержание микроэлементов в почвах отличается высоким природным варьированием. Фоновые значения концентраций, даже в пределах одного региона, могут различаться в несколько раз. поэтому очень важно иметь представление о естественном разбросе этих показателей. Для определения уровней допустимых концентраций химических веществ в почвах нередко используется статистический прием, состоящий в определении региональных усредненных уровней содержания элементов в естественных условиях. Методически задача состоит в том. чтобы определить региональные фоновые уровни содержания химических элементов в почвах, учесть их природное варьирование и отклонением от нормы считать значимое превышение верхнего предела возможного содержания этого элемента. Г.В. Мотузовой за верхнюю границу содержания любого химического элемента в почве предложено принять величину, которая на три стандартных отклонения выше среднего регионального фонового уровня, что предполагает охват 99% всех возможных значений признака. На этом основании можно превышение этой границы природного содержания химического элемента связывать с антропогенным влиянием.

     Попытки выявить закономерности в изменении  содержания микроэлементов в почвах различных регионов предпринимались  многими авторами [Виноградов. 1957: Ковальский. Андрианова. 1970: Перельман. 1975: Ковда. 1985: Касимов. 1988 и др.].

     А. П. Виноградов отмечал, что с геохимической  точки зрения тот или иной тип почвообразовательного процесса может быть охарактеризован, прежде всего, глубиной разрушения минерального вещества породы и конечным составом данного типа почв. Таким образом, поведение редких элементов однообразно, по крайней мере, в пределах главных зональных потаенных процессов и типов пота: дерново-подзолистых. красноземных, степных черноземных, сероземных, солонцовых и др. Однако почвообразовательные процессы происходят на фоне, созданном материнским субстратом почвы, т.е. субстрат породы определяет уровень содержания того или иного элемента в данной почве.

     Схема районирования территории СССР по содержанию в почвах и растениях ряда микроэлементов предложена В.В. Ковальским [Ковальский. Андрианова. 1970: Ковальский. 1974]. Основной сутью работы явилось определение в обьектах внешней среды - в почвах, водах, а также растениях и пищевых продуктах - средних концентраций рассеянных элементов, характерных для определенных регионов, а также верхних и нижних пороговых концентрации этих элементов с точки зрения здравоохранения, ветеринарии и фитопатологии. На основе полученных данных и сведений о распространении эндемических заболеваний, обусловленных недостатком или избытком определенных микроэлементов в природной среде, автором было проведено районирование территории СССР.

     По  мнению В.А.Ковды. важную роль в формировании гипергенной оболочки Русской равнины  сыграла вековая геохимическая миграция продуктов выветривания, транспортируемых наземными и подземными водами ледниковых и послеледниковых эпох [Ковда. Самойлова. 1966]. Ледники и талые воды выносили массу механических взвесей и растворенного материала, который отлагался на разном расстоянии от края ледника в зависимости от мощности водных истоков, крупности частиц и в соответствии с закономерностями механической и педохимической дифференциации вещества. Распределение концентраций микроэлементов в этом случае до.лжно определяться очередностью осаждения из водных потоков взвешенных частиц различной крупности, и порядком выпадения в осадок растворимых соединений микроэлементов вместе с аналогичными им по химическим свойствам макроэлементами [Ковда. 1985].

     Результатом многолетней работы исследовательских коллективов разных регионов явилась серия схематических карт валового содержания ряда микроэлементов (В. Ми. Со, Си, Zn, Mo. J) в верхних горизонтах (А1 или Апах мощностью 20см) почв Европейской части Советского союза М: 1:10000000. На картах отражено среднее содержание микроэлементов в наиболее распространенных зональных почвах на характерных породах автономных ландшафтов [Микроэлементы в почвах Советского Союза. 1973]. Мелкий масштаб карт не позволит отразить детали в распределении микроэлементов, которые свойственны сочетанию элювиальных, транзитных и аккумулятивных ландшафтов, или сведения, относящиеся к почвам сформированным на специфических почвообразующих породах (высококарбонатные породы, шунгитовые сланцы, торфяники и т.д.). Поэтому эти данные приводятся в текстах глав по отдельным регионам или в объяснительных записках к картам. Несмотря на определенную схематичность изображения на получившихся картах, общая геохимическая направленность миграции вещества с водными потоками с севера на юг в плейстоцене и голоцене проявляется в обогащенности почв юга страны микроэлементами. Также явственно проявляется влияние состава почвообразующих пород на состав почв [Микроэлементы в почвах Советского Союза. 1973].

     По  мнению M.A. Глазовской. многообразие и сложность геохимических процессов, протекавших ранее и идущих в настоящее время в природных ландшафтах и накладывающихся на тот или иной литогеохимический фон, обуславливают пространственную неоднородность естественного геохимического фона в содержании тяжелых металлов в раз летных компонентах ландшафта: почвообразующих породах, почвах, природных водах и др. Эта неоднородность проявляется не только внутри ландшафтных зон областей, но и в пределах местных геохимических ландшафтов. [Геохимия тяжелых металлов..., 1983]. Так. для изучения особенностей распределения микроэлементов в ландшафте А. И. Перельманом и Н. С. Касимовым применяется ландшафтно-геохимический анализ в основе которого лежат два важнейших методических принципа: дифференциации и историзма [Перельман. 1975]. Первый заключается в признании геохимической неоднородности географической оболочки Земли на локальном, региональном и глобальном уровнях. Следовательно, методика геохимических исследований должна быть дифференцирована применительно к отдельным типам, классам, родам и видам элементарных геохимических ландшафтов, каскадным системам разной размерности. Второй заключается в том. что исследование современной ландшафтно-геохимической ситуации должно включать анализ геохимической истории развития ландшафта. При таком подходе важное значение имеет анализ геохимических условий миграции веществ в природных ландшафтах с выделением зон выщелачивания, установлением природного геохимического фона и фоновой структуры природных ландшафтов [Касимов. 1988].