Агрохимия, 2021, № 6, стр. 16-27

ВВЕДЕНИЕ

Межгорные степные котловины – характерный элемент рельефа Горного Алтая. Они относятся к внутригорным эрозионно-тектоническим впадинам и понижениям и располагаются на высоте от 500 до 2500 м над уровнем моря. В центральной и преимущественно юго-восточной части на высоте 1100 м располагаются высокогорные сухие котловины, на высоте 500–1100 м – среднегорные. Общей особенностью климата этих территорий является его континентальность и сухость [1].

В настоящее время межгорные котловины являются центрами хозяйственной деятельности, где традиционное землепользование сочетается с элементами инновационных технологий, в т.ч. и ресурсосберегающих. Во второй половине прошлого столетия почти вся территория среднегорных котловин была распахана. Основной культурой является овес, возделываемый на сено, который убирают в фазе молочной спелости. Климатические условия Уймонской и Абайской котловин позволяют возделывать скороспелые сорта овса и яровой пшеницы на зерно.

Во второй половине прошлого века появился термин “тяжелые металлы” (ТМ), который сразу же приобрел негативное звучание. С этим термином связано представление о чем-то токсичном, опасном для живых организмов. Представление об обязательной токсичности ТМ, по мнению Алексеева [2], является заблуждением, т.к. в эту же группу попадают медь, цинк, молибден, кобальт, марганец, железо, т.е. те элементы, большое биологическое значение которых давно обнаружено и доказано. Некоторые из них в сельском хозяйстве получили название микроэлементов, что было связано с теми концентрациями, в которых они необходимы живым организмам. В настоящей работе обсуждаются проблемы содержания марганца, меди, цинка и молибдена как микроэлементов, но количество которых в почве и растениях регламентируется нормативными документами.

Микроэлементный состав почв межгорных котловин ранее был изучен Мальгиным [3], позднее – Балыкиным с соавт. [4–7]. В настоящее время изучение региональных особенностей распределения микроэлементов в компонентах агроландшафтов и их взаимосвязь с биогеохимическими условиями окружающей среды все еще остается весьма актуальным. Такая информация необходима для обоснования возможности производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции или разработки мероприятий по его обеспечению. Цель работы – выявление особенностей накопления и распределения микроэлементов в системе почва–сельскохозяйственные растения в межгорных котловинах Горного Алтая.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования были почвы и растительность высокогорных (Чуйской, Курайской) и среднегорных (Канской, Уймонской и Абайской) котловин.

Чуйская котловина находится на высоте 1700–1900 м над уровнем моря. Продолжительность безморозного периода 50–60 сут. Сумма активных температур (>10°С) равна 1000–1100°С. Годовое количество осадков – 10–150 мм, коэффициент увлажнения – 0.1–0.2.

Курайская котловина расположена на высоте 1500–1600 м над уровнем моря. Климат резкоконтинетальный, продолжительность безморозного периода – <50 сут. Сумма активных температур (>10°С) равна 1000–1100°С. Годовое количество осадков – 230–260 мм, коэффициент увлажнения – 0.2–0.3 [8]. Основной фон растительного покрова высокогорных котловин составляют сухостепные растительные формации, под которыми на покровных маломощных карбонатных каменистых суглинках и супесях формируются каштановые почвы.

Канская котловина расположена на высоте 1000–1100 м над уровнем моря. Продолжительность безморозного периода составляет 55–65 сут. Сумма активных температур (>10°С) равна 1100–1200°С. Годовое количество осадков – 330–350 мм, коэффициент увлажнения – 0.5–0.6. В целом климат очень прохладный, засушливый и полузасушливый [8]. Основной фонд почвенного покрова Канской котловины образуют почвы каштанового и темно-каштанового подтипов и черноземы обыкновенные.

Абайская котловина находится на высоте 1010–1150 м н.у.м. Продолжительность безморозного периода – 60–70 сут. Сумма активных температур (>10°С) равна 1200–1310°С. Годовое количество осадков – 400–450 мм, коэффициент увлажнения – 0.6–0.8 [8]. Основу почвенного покрова образуют черноземы обыкновенные.

Уймонская котловина – одно из немногих мест Горного Алтая, имеющая относительно благоприятные агроклиматические и почвенные условия для развития сельского хозяйства. Находится на высоте 1000 м н.у.м. Продолжительность безморозного периода – 75–95 сут. Сумма активных температур (>10°С) равна 1450–1500°С. Годовое количество осадков равно 300–350 мм, коэффициент увлажнения – 0.6–0.8 [8]. Почвообразующие породы представлены чехлом лессовидных карбонатных суглинков, иногда достигающих значительной мощности (3–4 м) или же маломощными щебнистыми, как правило, карбонатными суглинками. Природные условия Уймонской котловины способствуют развитию обыкновенных и южных черноземов.

Согласно систематическому списку, разработанному и предложенному сотрудниками Института почвоведения и агрохимии СО РАН [9], почвы исследованной территории относятся к группе почв межгорных котловин и представлены каштановыми и черноземными почвами. При проведении полевых исследований использовали сравнительно-географический метод, позволяющий выявить коррелятивные зависимости между почвами, их свойствами, составом и совокупностью факторов почвообразования. При описании почвенного разреза применяли морфологический метод – изучение почв по внешним признакам, и профильно-генетический – изучение почвы с поверхности на всю глубину последовательно по генетическим горизонтам с последующим сопоставлением их свойств. Пробы почв отбирали по генетическим горизонтам в двойные полиэтиленовые пакеты. Всего было сделано 8 почвенных разрезов и отобрано 28 почвенных проб.

Пробоподготовка почвы на общий анализ заключалась в высушивании почвенных образцов на воздухе, растирании сухой почвы в фарфоровой ступке и пропускании через сито с диаметром отверстий 1 мм. Растительные образцы отбирали в местах, сопряженных почвенному разрезу, с площади 0.25 м² в 3-х повторностях. Надземную массу высушивали и взвешивали. Корни отбирали с этих же площадок на глубину максимального их распространения в виде монолитов размером 0.2 × 0.2 м, промывали их в проточной воде, затем – дистиллированной. Для определения содержания химических элементов рентгено-флуоресцентным методом с использованием синхротронного излучения почву и растения растирали в яшмовой ступке. Для определения содержания гумуса в почвенной пробе предварительно отбирали корни и корешки, растирали в фарфоровой ступке и пропускали через сито с диаметром отверстий 0.25 мм.

Для определения свойств почвы использовали систему химических, физико-химических и других анализов (сравнительно-аналитический метод). Гумус определяли по методу Тюрина, гранулометрический состав – методом пипетки (вариант Качинского с подготовкой почвы к анализу пирофосфатным методом), рН$_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}$ – потенциометрическим методом, карбонаты – ацидиметрическим методом, емкость катионного обмена – методом Бобко–Аскинази для карбонатных почв. Определение содержания химических элементов в почве и растениях проводили методом РФА СИ (рентгено-флуоресцентный анализ с использованием синхротронного излучения). В работе использовали оборудование ЦКП “СЦСТИ” на базе УНУ “Комплекс ВЭПП-4–ВЭПП-2000” в ИЯФ СО РАН, поддержанное проектом RFMEFI62119X0022 [10]. Пределы обнаружения для проб почв: Mn – 50, Cu, Zn – 3, Mo – 0.35 ppm; для растительных проб: Mn – 10, Cu, Zn – 1, Mo – 0.15 ppm.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе проведенной работы были установлены основные особенности исследованных почв (табл. 1). В межгорных котловинах широко распространены каштановые почвы, где достаточно четко выделяются все 3 подтипа каштановых почв: темно-каштановые, каштановые и светло-каштановые. Общая особенность отложений, на которых формируются каштановые почвы межгорных котловин – высокое содержание скелетных включений (50–80%). Более половины мелкозема приходится на крупные фракции (песчаную, пылеватую) и только 9–15% – на илистую. Легкий гранулометрический состав с высоким содержанием крупнозема и незначительным содержанием тонкодисперсных фракций характерен для всех подтипов каштановых почв. Содержание илистой фракции – <10%, в составе мелкозема преобладают фракции среднего песка и крупной пыли.

Реакция среды в профиле каштановых почв – щелочная и сильнощелочная. Каштановые почвы отличаются мощными карбонатными горизонтами с высоким содержанием карбонатов. Карбонаты обнаружены с самой поверхности. Для каштановых почв характерно низкое содержание и резкое снижение содержания гумуса вниз по профилю. Содержание гумуса в гумусовом горизонте составляет в темно-каштановых почвах 4.3% под пашней, 5.9 – под сенокосом, в каштановых – 4.7 в светло-каштановых – 2.7%. Качественный состав весьма специфичен для каштанового типа почв и имеет фульватную природу, что обусловлено криоаридными условиями гумусообразования в котловинах [11]. Емкость поглощения, обусловленная интегральным влиянием гумусированности и дисперсности мелкозема, низкая. Показатели агрохимических свойств заметно ухудшаются от темно-каштановых почв к светло-каштановым.

Гранулометрический состав черноземов обыкновенных среднегорных котловин неодинаков и неоднороден по профилю, что связано с разнообразием почвообразующих пород. Он варьирует от супесчаного в верхних горизонтах до средне- и тяжелосуглинистого – в нижних. Преобладают среднесуглинистые, в той или иной степени каменистые почвы. Мелкозем гумусового горизонта этих почв содержит много пыли и песка.

Содержание гумуса в гумусовом горизонте варьирует от 6.8 в Абайской котловине до 9.4% – в Уймонской. В составе гумуса преобладают гуминовые кислоты. Реакция среды в гумусовом горизонте нейтральная или слабощелочная, вниз по профилю она изменяется до явно щелочной. Карбонаты присутствуют с поверхности и содержание их с глубиной увеличивается до значительных величин (до 20%). Емкость обмена в черноземах межгорных котловин наибольшая в гумусовом горизонте и с глубиной снижается. В составе обменных катионов преобладает кальций. Перечисленные особенности оказывают существенное влияние на элементный состав почв.

Исследованные микроэлементы подразделяются на 2 группы: элементы с относительно постоянной концентрацией (Cu, Zn) и элементы с высоким варьированием концентраций в окружающей природной среде (Mn) [11].

Содержание марганца в почвенном покрове исследованной территории Горного Алтая характеризуется убыванием концентрации элемента от почв среднегорных котловин к высокогорным (рис. 1). Наибольшие концентрации обнаружены в почвах Уймонской и Абайской котловин.

Рис. 1.

Распределение марганца в системе почва–растение: (а) – содержание и распределение элемента в почве, (б) – содержание элемента в растительности, (в) – распределение запасов элемента в растительности. То же на рис. 2–4.

Распределение марганца в почвенной толще также неоднородно. Для всех исследованных почв отмечено биогенное накопление элемента. Содержание марганца в гумусово-аккумулятивном горизонте значительно больше, чем в почвообразующей породе. Если содержание марганца в горизонте С не превышает его кларк для почв мира [12], то в верхних горизонтах отмечены показатели, близкие к ПДК [13]. Миграция марганца вниз по профилю сводится к минимуму в связи с тем, что процессы выщелачивания в нижележащие горизонты ограничены недостаточной обеспеченностью исследуемой зоны влагой, а также содержанием карбонатов с самой поверхности. Для марганца характерна резко выраженная тенденция к биогенной аккумуляции в гумусовых горизонтах [14]. Биогенное накопление марганца также свойственно почвам юга Западной Сибири [15].

Биогеохимия меди в основных природных компонентах Горного Алтая была изучена ранее Мальгиным [3]. Им было установлено, что бóльшая часть территории Горного Алтая содержит микроэлемента почти в 2 раза больше кларка, рассчитанного для почв СССР [16]. Модальным классом содержания валовой меди является диапазон от 20 до 40 мг/кг. Повышенное содержание валовой меди в почвенном покрове Горного Алтая Мальгин [3] объяснял обогащенностью микроэлементом горных пород, на дериватах которых формируется почвенный покров. Вновь полученная нами информация близка ранее опубликованной. Максимальные концентрации характерны для черноземных почв среднегорных котловин, минимальные – для каштановых почв высокогорных и Канской среднегорной котловины (рис. 2). Вместе с тем содержание меди в каштановых почвах не превышает ОДК [17] для песчаных и супесчаных почв, составляющую 33 мг/кг, и в черноземах обыкновенных – ОДК для суглинистых и глинистых почв с рН_КСl > 5.5, составляющую 130 мг/кг.

Рис. 2.

Распределение меди в системе почва–растение: (а) – содержание и внутрипрофильное распределение меди в почве, (б) – содержание меди в растительности, (в) – распределение запасов меди в растительности, %.

Имеющиеся в литературе данные о влиянии почвообразовательного процесса на внутрипрофильное распределение меди довольно противоречивы. Ряд авторов отмечает ярко выраженную аккумуляцию меди в гумусовом горизонте, другие указывают на равномерное распределение ее по профилю. По данным [18], медь является элементом биогенной аккумуляции. Полученные нами данные подтверждают вышесказанное.

Содержание цинка во всех исследованных почвах превышает кларк [13] и ОДК [17] для песчаных и супесчаных почв, составляющую 55 мг/кг, в почвах легкого гранулометрического состава Чуйской, Курайской и Канской котловин, но находится в пределах ОДК для суглинистых и глинистых почв с рН_КСl >5.5, составляющую 220 мг/кг, в почвах Уймонской и Абайской котловин (рис. 3). Полученные результаты вполне согласуются с приведенными ранее данными для каштановых почв Чуйской котловины [19] и черноземов обыкновенных Уймонской котловины [4]. Для цинка характерно ярко выраженное биогенное накопление как в каштановых, так и черноземных почвах.

Рис. 3.

Распределение цинка в системе почва–растение: (а) – содержание и внутрипрофильное распределение цинка в почве, (б) – содержание цинка в растительности, (в) – распределение запасов цинка в растительности. %.

В отличие от выше рассмотренных элементов, содержание и распределение молибдена даже в однотипных почвах значительно различается (рис. 4). Содержание молибдена в почвах меньше концентрации какого-либо другого необходимого микроэлемента. В каштановых почвах в гумусовом горизонте содержание элемента варьирует от 1.03 до 1.13 мг/кг, в черноземах обыкновенных – в более широких пределах: от 0.82 до 1.45 мг/кг, что близко к среднему содержанию валового молибдена в почвах Алтайского края (0.8–1.4 мг/кг) [20]. Для почв мира Виноградов [12] определил кларк молибдена в почвах 2 мг/кг. Для внутрипрофильного распределения микроэлемента характерно наибольшее накопление в гумусовом горизонте в каштановой почве Курайской котловины, черноземе обыкновенном Уймонской котловины, в материнской породе – черноземе обыкновенном Абайской котловины. В остальных исследованных почвах максимум содержания молибдена приурочен к горизонту Вк. Данных по внутрипрофильному распределению молибдена в почвах в литературе немного. В работе [21] указывали на возможность накопления микроэлемента в горизонте А, связывая это с тем, что его содержание возрастает по мере увеличения содержания органического вещества. По мнению [22], во всех подтипах черноземов Центрального Черноземья, а также в каштановых и черноземных почвах Алтайского края [20] также наблюдается его биогенная аккумуляция.

Рис. 4.

Распределение молибдена в системе почва–растениее: (а) – содержание и внутрипрофильное распределение молибдена в почве, (б) – содержание молибдена в растительности, (в) – распределение запасов молибдена в растительности. %.

Более наглядно процессы перераспределения химических элементов в почвенном профиле характеризует коэффициент радиальной дифференциации (табл. 2) – отношение среднего содержания данного химического элемента в том или ином почвенном горизонте к среднему содержанию его в почвообразующей породе. Этот термин был предложен в 1970-х гг. взамен употреблявшегося ранее термина элювиально-аккумулятивный коэффициент [23]. Показано, что коэффициенты радиальной дифференциации марганца, меди и цинка в гумусовом горизонте >1, что еще раз свидетельствует о биогенном их накоплении и аккумулятивном распределении. В горизонте Вк величина коэффициента немного <1. Коэффициент радиальной дифференциации молибдена варьирует в более широких пределах: в гумусовом горизонте – от 0.6–0.8 в Абайской котловине до 2.0–2.7 в Уймонской. Значительная величина коэффициента в черноземе обыкновенном Уймонской котловины (2.3–3.2) в горизонте Вк связана с наличием карбонатного биогеохимического барьера.

Изучение содержания микроэлементов в почве, а также сопряженное исследование растений имеет большое значение для решения ряда прикладных агрохимических и агроэкологических задач. Для марганца, меди и цинка характерно максимальное накопление в корнях как полевых культур, так и растений сенокосов и пастбищ. Содержание вышеперечисленных микроэлементов в надземной массе значительно меньше. Оно находится в пределах нормальных концентраций (пределах нормальной регуляции) [24] и максимально допустимого уровня для кормов [25]: для меди 5.7–13.2 при норме 3–12 мг/кг, для цинка – 24.4–33.0 при норме 20–60 мг/кг, или выше нормальных показателей: для марганца – 40–190 мг/кг, но меньше верхней пороговой концентрации (≥500 мг/кг) [24]. Концентрация марганца, меди и цинка в пастбищной траве и сене больше, чем в надземной массе овса.

По-другому складывается распределение молибдена между надземной и подземной частями растений. Максимальные концентрации элемента характерны, наоборот, для надземной массы и варьируют в широких пределах: от 1.6 до 6.9 мг/кг при норме 1.0–2.5 мг/кг [16], а некоторые (овес, Уймонская котловина) превышают МДУ для кормов [25]. Это значительно больше, чем содержание в зерновых культурах, возделываемых на каштановых почвах и черноземах обыкновенных (0.2–0.5 мг/кг), и в разнотравье (0.6–0.7 мг/кг) Алтайского края [20]. На преимущественное накопление молибдена в надземной массе озимой пшеницы в фазе молочной спелости (3.29 против 0.95 мг/кг в корнях) указано в работе [26], естественной растительности (0.88 в листьях против 0.59 мг/кг в корнях) [27].

Расчет коэффициентов корневого барьера (отношения содержания элемента в корне к его содержанию в надземных органах) показал, что для марганца, меди и цинка характерным является барьерный тип накопления (К_кб >1) (табл. 2). Интенсивность накопления молибдена в корнях меньше по сравнению с надземными органами (К_кб <1).

Основным биологическим источником привнесения марганца, меди и цинка в почвы являются корни за счет большего удельного веса в структуре общей биологической массы, на долю которых приходится 43–86% у овса и 82–97% у луговых трав. Например, в подземной массе овса сосредоточено: марганца – 71–95, цинка – 52–91, меди – 79–93%. Для луговых трав этот показатель больше: марганца – 84–98, цинка – 81–98, меди – 82–99%. Ввиду того, что концентрация молибдена больше в надземной части, запасы его в корнях меньше, чем остальных элементов и составляют 25–75% в овсе и 71–87% в луговых травах. Незначительное участие опада в возвращении химических элементов в почву определено только на сенокосных угодьях: марганца – 2, цинка – 4, меди – 3, молибдена – 6%. На пастбище всю надземную массу поедает скот, находящийся здесь до наступления зимы. Также в хозяйствах практикуется выпас животных на пашне после уборки урожая до поздней осени. Поэтому на пашне и пастбище опад отсутствует.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что основными физико-химическими особенностями исследованных почв, определяющими содержание и распределение микроэлементов, являются легкий гранулометрический состав каштановых почв и легко- и среднесуглинистый – черноземов обыкновенных с высоким содержанием крупнозема, а также резкое снижение содержания гумуса и емкости катионного обмена вниз по профилю, слабощелочная реакция среды верхних горизонтов и щелочная – нижних. Лучшими агрохимическими свойствами обладают черноземы обыкновенные и темно-каштановые почвы среднегорных котловин, худшими – светло-каштановые почвы высокогорной Чуйской котловины.

Содержание марганца, меди и цинка в почвенном покрове исследованной территории Горного Алтая характеризуется уменьшением содержания элементов от черноземов обыкновенных и темно-каштановых почв среднегорных котловин к каштановым и светло-каштановым почвам высокогорных. Коэффициент радиальной дифференциации марганца, меди и цинка в гумусовом горизонте >1, что свидетельствует о биогенном их накоплении и аккумулятивном распределении как в каштановых почвах, так и черноземах обыкновенных. Коэффициент радиальной дифференциации молибдена варьирует в широких пределах: в гумусовом горизонте – от 0.6–0.8 в Абайской котловине до 2.0–2.7 – в Уймонской. Значительная величина коэффициента в черноземе обыкновенном Уймонской котловины (2.3–3.2) в горизонте Вк обусловлена наличием карбонатного биогеохимического барьера.

Бóльшая часть поглощенных растениями (овсом и луговыми травами) марганца, меди и цинка локализуется в корневой системе и меньшая транспортируется в надземную. Для марганца, меди и цинка характерным является барьерный тип накопления, коэффициент корневого барьера >1. Интенсивность накопления молибдена в корнях меньше по сравнению с надземными органами (К_кб <1).

На содержание и характер профильного распределения биогенных элементов влияет комплекс почвенных факторов: гранулометрический состав, содержание органического вещества, наличие карбонатов, емкость катионного обмена, наличие геохимических барьеров (гумусовый, карбонатный горизонты). Чем тяжелее гранулометрический состав, больше содержание органического вещества, карбонатов и емкость катионного обмена, тем больше валовое содержание исследованных микроэлементов.

Сопряженное исследование почвы и растений позволило установить, что содержание в почвах марганца (в почвах среднегорных котловин), меди и цинка больше кларка, но меньше ПДК и ОДК, а превышение максимально допустимого уровня для кормов содержания марганца и молибдена в растениях агроландшафтов межгорных котловин Горного Алтая незначительное и носит единичный и локальный характер. Концентрация марганца, меди и цинка в пастбищной траве и сене больше, чем в надземной массе овса.

Авторы выражают благодарность Ю.П. Колмогорову за проведение анализов и сотруднику Ф.А. Дарьину за содействие в выполнении работ в Центре синхротронного и терагерцового излучения ИЯФ СО РАН.