книги из ГПНТБ / Якушевская, И. В. Микроэлементы в природных ландшафтах учеб. пособие

сматривать количества микроэлементов, переходящих в не­ агрессивные вытяжки, например, раствор Варена, 2,5% СНзСООН, растворы солей, то обнаруживается, что в биоло­ гическом круговороте принимает участие примерно около 1/100—1/60 от запасов этих форм микроэлементов в почвах. При таком подходе вопрос о возможном дефиците микроэле­ ментов при отчуждении их с урожаем сельскохозяйственных культур становится понятным и приобретает теоретическое обоснование (таблица 12).

Чем выше продуктивность сельскохозяйственных культур, тем больше количество микроэлементов ежегодно отчуждает­ ся с урожаем, отчуждается, как правило, больше, чем воз­ вращается в почву с пожнивными остатками. Одновременно повышается требовательность этих культур к микроэлемен­ там, в результате возможен дефицит микроэлементов, лими­ тирующий дальнейшее повышение урожайности. Это следует учитывать в первую очередь при возделывании сельскохозяй­ ственных культур на почвах, содержащих малые количества микроэлементов в доступной форме, даже если валовые запа­ сы достаточно велики.

Не все микроэлементы необходимы организмам в одинако­ вых количествах, не все накапливаются в- них в равной сте­ пени. В самой общей форме можно отметить несколько наибо­ лее общих закономерностей поглощения микроэлементов в биосфере. Это «захват» элементов наиболее подвижных, об­ разующих воднорастворимые соединения и газообразные про­

очень подвижные мигранты (йод, литий) концентрируются в- значительных, количествах. Примером связи со средой обита­ ния может служить химический состав обитателей морских и пресноводных бассейнов: первые содержат намного боль­ ше, чем вторые, стронция, йода, фтора, отражая повышенное

деленная связь между положением элемента в таблице Мен­ делеева и кларками его в биосфере. Химический элементарный состав живого вещества является периодической функцией атомного номера элементов. Причем в ряду элементов с чет­ ным номером каждый шестой элемент после кислорода (2 +

ряду элементов с нечетным атомным номером подобный «пик» в организмах дает каждый шестой элемент, начиная с водо­ рода (1 = + 6 + 6 + 6 + 6...) (марганец, рубидий, цезий и т. д.).

41

Для всех этих элементов в природе имеются организмы-кон­ центраторы.

Возможна также концентрация в организмах элементов, расположенных на подъемах кривой, например, ванадий, цинк, медь.

Кривая для четных элементов лежит несколько выше кри­ вой для нечетных. Последняя закономерность справедлива лишь для организмов планеты в целом. В ряде случаев она нарушается, так, например, во всех организмах моря пре­ обладают нечетные элементы.

Имеется также определенная связь между порядковым но- • мером элемента и токсичностью его. С возрастанием порядко­

циях, талий — в малых; во I I группе Zn — Hg, цинк обычный микроэлемент, кадмий обладает токсичностью и еще большей ртуть.

Пожалуй, наиболее интересно положение о том, что хи­ мический состав организмов можно рассматривать как систе­ матический признак, приобретенный ими в процессе эволюции и связанный с изменениями условий среды в историческом аспекте (Виноградов А. П., 1965) (рис. 6). Наибольшая кон-

42

центрация микроэлементов свойственна простейшим организ­ мам — представителям древних форм, сохранившим эту осо­ бенность и до настоящего времени. Так, железобактерии акку­ мулируют до 20%, Foraminifere до 11% железа, тропические губки и красные водоросли до 1 % йода. В процессе эволюции организмы освободились от ряда геохимических функций, тре­ бующих высокого концентрирования того или иного элемента, но физиологическая функция элементов в виде участия их в незначительных количествах в составе ферментативных си­ стем сохранилась.

В ряде случаев и высшие организмы способны к избира­ тельному концентрированию тех или иных микроэлементов.

Виноградов А. П. (1949) различает два взаимосвязанных типа аккумуляции микроэлементов: концентрацию всеми ор­ ганизмами, обусловленную резко повышенным содержанием микроэлементов в почвах и водах района распространения этих организмов, и второй тип концентрации — видовой или родовой, когда данный вид или род, независимо от среды местообитания, содержит повышенные количества того или' иного микроэлемента.

А. П. Виноградов считает, что второй тип связан с пер­ вым. Организмы, развивающиеся на повышенном фоне микро­

и распространении этих организмов на территории с нормаль­

Способность отдельных растений к избирательному погло­ щению тех или иных микроэлементов может быть представ­ лена в виде коэффициента ОСВР (относительное содержание микроэлемента в различных видах растений, произрастающих в одинаковых условиях), равного отношению концентрации микроэлемента в золе изучаемых растений к концентрации в

ландшафте растение, наиболее типичное. При таких расчетах четко выявляются растения-концентраторы и растения-декон- центраторы (Ковалевский А. Л., 1969).

Величина ОСВР для одного и того же растения изменяется в зависимости от уровня микроэлементов в почвах. Причем

43

характер этой зависимости для разных микроэлементов раз­ личен. Часть микроэлементов поглощается растениями лишь до определенного предела (предел поглощения) и при даль­ нейшем повышении кларка микроэлемента в почве, поглоще­ ние его растением не только не увеличивается, но может и уменьшаться. В растениях создается «физиологический барь­ ер», защищающий их от токсических доз микроэлемента. По­ добный тип поглощения обнаружен для Li, Ва, Sn, РЬ, Мо, W, U, F, Мп, Си, Со (Ковалевский А. Л., 1969). Ряд микро­ элементов Ra, Ag, Au, Cd, Zn, В и другие концентрируются растениями беспредельно, параллельно повышению уровня микроэлементов в почвах. Эти элементы могут накапливать­ ся в растениях в очень больших количествах.

Учитывая дифференциацию в характере поглощения расти­ тельностью различных микроэлементов, следует более осто­ рожно подходить к использованию данных по концентрации микроэлементов в растениях при биогеохимических методах поисков рудных месторождений, а также при установлении по­ роговых концентраций для сельскохозяйственных растений. Высказанные выше положения необходимо, однако, проверить на большом количестве материала, поскольку они противоре­ чат многим установленным фактам, например, Мп отнесен к элементу с пороговым характером поглощения и в то же вре­ мя известны растения-концентраторы Мп, причем накапли­ вающие его в очень большом количестве. То же можно ска­ зать и о меди, и о кобальте, и никеле, и т. д.

Значительного размаха достигают колебания в содержа­ нии микроэлементов в разных органах (листьях, корнях, вет­ вях, стволе, плодах) одного и того же растения. Например, количество бора в листьях акации желтой составляет 50, в коре 8, в древесине 5 мг/кг; в хвое пихты 28, в коре 12 и в дре­ весине 5 мг/кг.

Довольно сильно варьирует кларк микроэлементов в рас­ тениях в зависимости от фазы развития. В течение вегетацион­ ного периода уровень микроэлементов может изменяться в 2 и более раз.

Представление об уровне концентрации микроэлементов в растительных организмах хорошо иллюстрируется величинами коэффициентов биологического поглощения (Ах ). Коэффи-. циент биологического поглощения А х равен отношению содер- "-жания микроэлемента в золе растений (1Х) к содержанию его

в почве и породе (пх ), А х = — .

В последнее время коэффициент биологического поглоще­ ния стали рассчитывать с учетом содержания микроэлемен­ тов не в золе, а в сухом веществе растений. Этот прием удобен при расчетах участия микроэлементов в биологическом круго­ вороте.

44

Ниже приведен ряд биологического поглощения элементов, составленный А. И. Перельманом (1966 г.) для всей расти­ тельности суши в целом. Энергичное накопление характерно для йода; несколько в меньшей степени для бора, стронция, цинка. Слабое накопление и средний захват для марганца, меди, никеля, кобальта, молибдена (таблица 13).

Естественно, что для разных растений этот ряд будет из­ меняться так же, как и для одних и тех же растений, но про­ израстающих в разных условиях. Варьирование коэффициен­ тов биологического поглощения элементов чрезвычайно ве­ лико.

Колебания коэффициентов биологического поглощения микроэлементов в зональных растительных формациях хоро­ шо иллюстрируются на примере Урала (Глазовская ;М. А., 1964) (таблица 14). А х для марганца изменяется от 1 до 10 п, для цинка от 0 до 10 п, для свинца от 0 до 1000 п. Диф­ ференциация микроэлементов по степени поглощения наблю­ дается и в пределах каждой зоны и даже для одних и тех же видов растений и обусловлена она, очевидно, разнообразием

45

почв. При исследовании растений Центральной Якутии на со­ держание бора установлено, что кларк бора ячменя лугового изменяется от 1 до 9 мг/кг, пырея ползучего от 11 до 20, под­ маренника настоящего от 10 до 32 мг/кг.

Об избирательном поглощении микроэлементов разными растениями на одних и тех же почвах упоминалось выше.

Таким образом, коэффициенты биологического поглощения колеблются в больших пределах как для разных растений в. одинаковых условиях местообитания, так и для одного и тогоже растения в различных условиях. Но все же можно выде­ лить наиболее биогенные микроэлементы с преобладанием вы­ соких коэффициентов биологического поглощения — это йод, бор, марганец; в меньшей степени — цинк, молибден, медь, кобальт.

Повышенные кларки некоторых микроэлементов в расте­ ниях, естественно, должны найти отражение в высоком содер­ жании этих же микроэлементов в продуктах трансформации растительных и животных организмов: в подстилках, степном войлоке, в гуминовых веществах почв.

В лесных подстилках возможно накопление марганца в 6— 12, меди в 3—7, кобальта в 2—5, цинка в 1—8 раз и больше, чем в нижележащих горизонтах. Особенно четко аккумуляция

46

микроэлементов в подстилках проявляется в почвах на бедных породах. В почвах на очень богатых материнских породах эта тенденция может быть не выражена и, наоборот, возможны повышенные кларки в породе по сравнению с подстилками, например, почвы на выходах диабазов, на ленточных глинах и т. д.

Значительное количество микроэлементов поглощается ор­ ганическим веществом почв, как продуктами разложения рас­ тительного опада, так и сложными специфическими гумусовы­ ми веществами. Поглощение, а в ряде случаев накопление микроэлементов, происходит в результате образования солей с органическими кислотами, образования внутрикомплексных соединений в результате адсорбции на поверхности органиче­ ских коллоидных систем. Возможно также закрепление мик­ роэлементов в минеральных компонентах, защищенных от разрушения и вымывания пленками из органических коллои­ дов.

В последнее время большое внимание уделяется комплекс­ ным соединениям микроэлементов с органическими вещества­ ми (см. раздел водной миграции). Значительная роль в этих процессах принадлежит метаболитам микроорганизмов, комп­ лексные соединения которых с микроэлементами могут вхо­ дить в дальнейшем в состав гуминовых и фульвокислот или адсорбироваться на поверхности последних ( Т . В . Дроздова, 1967). Необходимо отметить, что элементы, входя в состав комплексных соединений, не только поглощаются и закреп­ ляются в почвах, но и выносятся из нее, особенно интенсив­ но в условиях высокой влажности и кислой реакции; напри­ мер, в подзолистых, полуболотных и болотных почвах. В поч­ вах, богатых основаниями, с нейтральной реакцией и непро- • мывным типом водного режима комплексные соединения ма­ лоподвижны и микроэлементы в их составе закрепляются в почвах.

комплексов металлов с фульвокислотами была установлена более высокая стабильность комплексов с трехвалентным же­ лезом по сравнению с двухвалентным железом, с медью, цин­ ком, свинцом, а также влияние на растворимость комплексов концентрации металлов. Повышение концентрации металла вызывает-уменьшение растворимости и выпадение в осадок комплекса. Например при соотношении металла к фульвокислотам 1:1 — комплекс хорошо растворим в воде, при соот­ ношении 6 : 1 (молярном) — нерастворим. Это явление, в част­ ности, хорошо объясняет причины накопления микроэлементов

виллювиальных горизонтах подзолистых почв.

Вцелом органическое вещество способствует поглощению

47

микроэлементов почвами, даже при образовании подвижных соединений, большая часть их выпадает в осадок в пределах почвенного профиля, обусловливая лишь дифференциацию микроэлементов по генетическим горизонтам.

В гумусовых горизонтах почв аккумулируются значитель­ ные количества йода, бора, марганца, в меньшей степени—цин­ ка, меди, кобальта, никеля, ванадия, молибдена. Иод практи­ чески целиком связан с гумусом почв (87—100% от валового содержания). Количество меди в составе гумуса почв колеб­ лется от 3 до 30% (от валового содержания), достигая лишь в оторфованных горизонтах 60%; количество никеля, приуро­ ченного к гумусу, составляет от 3 до 23%, молибдена — около 6—9%, ванадия — 10—20%, хрома — 5—6%.

Абсолютное содержание .микроэлементов в золе гуминовых кислот достигает очень больших величин (таблица 15). Коэф­ фициенты обогащения микроэлементами, рассчитанные по со­ отношению содержания микроэлементов .в золе гумусовых кис­ лот и почве (для почв Молдавии), составляют для ванадия, кобальта, цинка 100—10, для марганца, хрома 10—1 (Рабино­ вич И. 3., 1969). Связь микроэлементов с органическим ве­ ществом почв проявляется в коэффициентах корреляции меж­ ду валовым содержанием микроэлемента и количеством гуму­ са. Для йода коэффициенты корреляции высокие— порядка 0,8—0,97, за исключением почв приморских районов, где поро­ ды отличаются повышенными кларками йода. Для бора коэф­ фициенты корреляции довольно значительные (0,7—0,8)" в нейтральных почвах, в кислых почвах — низкие. Для марган­ ца, меди, кобальта, молибдена коэффициенты корреляции ко­ леблются от 0,7 до 0,3.

Следует оговориться, что высокая степень корреляции еще не означает приуроченность микроэлемента именно к пумусу почв. Возможно накопление микроэлемента в верхней части

48

почвенного профиля и вне гумуса. Например, в ряде случаев марганец накапливается, вьшадая в форме нерастворимого Мп4 + в верхних горизонтах в результате вытеснения его из комплексных соединений кальцием. Возможно вхождение мик­ роэлементов в состав коллоидов или адсорбция их на поверх­ ности коллоидных систем, в случае преобладания коллоидов в верхней части профиля. Это будет проявляться в высоких ко­ эффициентах корреляции с гумусом.

Значительная аккумуляция микроэлементов наблюдается в •различных кауетобиолитах и биолитах: в каменных углях, в нефтях, в известняках, фосфоритах, марганцевых и железис­ тых биогенных рудах.

На концентрацию металлов с .каменных углях впервые об­ ратил внимание В. М. Гольдшмидт (1930). В результате ис­ следования большого количества образцов различных углей были рассчитаны коэффициенты обогащения (отношение со­ держания микроэлементов в золе углей к содержанию в зем­ ной коре), достигающие для некоторых микроэлементов очень

Концентрация молибдена объясняется, главным образом, сорб­ цией молибдена на органическом веществе углей, но возможна и связь с гуминовыми кислотами через гидроксильные груп­ пы (2).

Медь, цинк, ванадий, никель накапливаются в углях в срав­ нительно небольшом количестве. Среднее содержание меди в золе углей колеблется в пределах от п • Ю - 3 до п • Ю - 2 , никеля до п • Ю-1 (Майская С. М. и Дроздова Т. В., 1964).

Но перечисленные микроэлементы в очень большом коли­ честве аккумулируются в нефтях и аофальтах (таблица 16).

Особенно значительна концентрация ванадия, никеля, ко­ бальта, молибдена. Металлы в нефтях связаны в форме ко:м-