Микроэлементы (цинк, железо, марганец) в системе "почва-растение" при возрастающих дозах внесения фосфорных удобрений (стр. 2 из 9)
 |
Цинк наиболее подвижен и биологически доступен в кислых легких минеральных почвах. Как установлено Норришем (цитировано по Кабата-Пендиас, Пендиасу, 1989), фракция Zn, связанная с оксидами Fe и Mn, по-видимому, более доступна растениям. Растворимость и доступность Zn в почвах обнаруживают отрицательную корреляцию со степенью насыщенности кальцием и с содержанием соединений фосфора. Эти соотношения могут отражать как влияние адсорбции и осаждения, так и взаимодействие между этими элементами. Кроме того, в области высоких значений pH необходимо учитывать влияние на растворимость и доступность Zn, образования растворимых Zn-органических комплексов и комплексных анионных форм Zn (рис.3).
Однако твёрдой и жидкой фазами почв может осуществляться иммобилизация цинка в процессах изоморфного замещения ионов в первичных и вторичных минералах, образования труднорастворимых соединений элемента, специфической адсорбции его органическими и неорганическими компонентами почвы с образованием прочных связей координационного типа, окклюзии оксидами и гидроксидами железа, алюминия, марганца и кремния, поглощения и включения в состав тканей живой фазы почвы (Переломов, Пинский, 2005). Как отмечает И. Г. Юлушев (1999), недостаток цинка возможен в первую очередь на карбонатных почвах.
 |
Рисунок 3
Расчёт факторов биологической доступности и коэффициента биологического поглощения в работе Л. В. Переломова и Д. Л. Пинского (2005) показал, что способность почв прочно связывать цинк играет важную роль в доступности металла растениям. Несмотря на увеличение потенциальной доступности цинка с ростом дозы вносимого элемента, относительные показатели поглощения металла растениями в целом максимальны в контрольных вариантах, при концентрациях, к которым растения эволюционно адаптированы. Это также свидетельствует о том, что растение поглощает цинк не только из подвижных, но и из прочносвязанных форм металла. По данным Стивенсона и Ардакани (Stevenson, Ardakani, 1972), такие прочносвязанные формы образуют распространённые в почвенном растворе алифатические и ароматические кислоты.
В своей работе А. Ю. Кудеярова (2005) отмечает, что способность почвы связывать поступающие извне соединения цинка в основном определяется реакциями координации, которые происходят на поверхностях раздела твёрдых и жидких фаз (сорбент – почвенный раствор). Как правило, химическое связывание (хемосорбция) экзогенных соединений осуществляется на поверхностях, представленных металлогумусовыми комплексами, которые способны связывать катионы и анионы почвенного раствора. Большой вклад в связывание катионов цинка вносят железогумусовые комплексы, свойственные кислым почвам.
По данным Я. В. Пейве (цитировано по Минееву, 2004), почвы по обеспечённости их подвижным цинком делятся на следующие группы (мг/кг почвы):
<0.2 – очень бедные,
0.3 – 1.0 – бедные,
1.1 – 3.0 – среднеобеспеченные,
3.1 – 5.0 – богатые,
>5.1 – очень богатые.
Эта группировка почв ориентировочная и должна уточняться в конкретных почвенно-климатических условиях путём закладки полевых опытов.
1.1.2 Железо
Железо – один из главных компонентов литосферы и составляет приблизительно 5% её массы (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Поведение железа в окружающей среде во многом определяется его способностью легко изменять валентность в зависимости от физико-химических условий среды и тесно связано с геохимическими циклами кислорода, серы и углерода. Как правило, сообщают Кабата-Пендиас и Пендиас (1989), окислительные и щелочные условия среды способствуют осаждению железа, а кислые и восстановительные – растворению его соединений. Свободное железо фиксируется, образуя оксиды и гидроксиды, органо-комплексы и замещая магний и алюминий в минералах.
В почвах железо присутствует главным образом в виде оксидов и гидроксидов, находящихся в форме небольших частиц или связанных с поверхностью некоторых минералов. Однако в богатых органическим веществом горизонтах Fe находится преимущественно в хелатной форме. По данным А. Кабата-Пендиас и Х. Пендиаса (1989), микроорганизмы также могут принимать участие в преобразовании железа, вовлекаясь в круговорот элемента и аккумулируя его на поверхности живых клеток.
В растворении почвенного железа участвуют многие реакции, но наиболее значимыми из них являются гидролиз и процессы комплексообразования. По данным В. Л. Линдсея (цитировано по Кабата-Пендиас, Пендиасу, 1989), подвижность железа в почвах во многом определяется растворимостью аморфных водных оксидов Fe3+ и Fe2+. Однако на растворимость железа может существенно влиять образование других его соединений, таких, как фосфаты, сульфиды и карбонаты.
Минимальные содержания растворимого железа отмечаются при щелочных значениях pH. Поэтому кислые почвы более обогащены растворимым неорганическим железом, нежели нейтральные и щелочные (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Таким образом, катионы Fe2+ в кислых анаэробных почвах могут достигать токсичных для растений уровней, а в щелочных хорошо аэрируемых почвах низкие концентрации растворимого железа не могут удовлетворить потребности растений в этом элементе.
Подобно соединениям марганца, соединения железа активно влияют на поведение некоторых элементов питания и многих микроэлементов. Степень ответственности железа за растворимость микроэлементов и их доступность для растений во многом зависят от некоторых почвенных факторов.
Для почвенного железа характерно сильное сродство к подвижным органическим комплексам и хелатам. Эти соединения ответственны за миграцию и перераспределение железа в почвенных горизонтах, а также выщелачивание его из почвенных профилей. Кроме того, комплексные соединения играют большую роль в обеспечении железом корневых систем растений (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Количество железа в почвах определяется как составом материнских пород, так и характером почвенных процессов. Как правило, сообщают Кабата-Пендиас и Пендиас (1989), содержание железа изменяется от 0.5 до 5%. На бедных железом почвах не отмечается его абсолютного дефицита для растений, а фиксируется лишь недостаток его легкорастворимых форм.
1.1.3 Марганец
Марганец – один из наиболее распространённых микроэлементов в литосфере, его содержание в горных породах изменяется в пределах 350 – 2000 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Марганец образует ряд минералов, в которых он обычно присутствует в виде ионов Mn2+, Mn3+ и Mn4+, однако наиболее распространённым в породообразующих силикатных минералах является его окисленное состояние +2. Катион Mn2+ обладает способностью замещать двухвалентные катионы некоторых элементов (Fe2+, Mg2+) в силикатах и оксидах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). При выветривании в атмосферных условиях соединения марганца окисляются, а образующиеся при этом оксиды вновь осаждаются и формируют вторичные минералы. Поведение марганца в почвах исключительно сложное и зависит от различных факторов, из которых наибольшее значение имеют pH и Eh среды.
Маккензи (цитировано по Кабата-Пендиас, Пендиасу, 1989) отметил, что Mn распространён в почвах в виде оксидов и гидроксидов, осаждённых как на почвенных частицах, так и в виде конкреций различного диаметра, способных концентрировать железо и некоторые другие микроэлементы почв.
Значение соединений марганца для состояния почв очень велико, поскольку этот элемент не только жизненно необходим растениям, но и контролирует поведение ряда других питательных микроэлементов. Соединения марганца способны быстро окисляться и восстанавливаться в изменчивых условиях почвенной среды. Следовательно, окислительные условия могут заметно снижать доступность марганца и связанных с ним питательных веществ, тогда как восстановительные способствуют увеличению их доступности для растений даже до токсичных значений. (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Растворимость марганца в почвах зависит от pH и Eh среды, поэтому наиболее распространёнными являются реакции окисления-восстановления и гидролиза (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Из-за низкой растворимости соединений марганца в окислительных условиях при значении pH, близких к нейтральным, даже незначительные изменения Eh – pH могут оказать существенное влияние на содержание элемента в почвенном растворе.
С помощью экстрагирующих растворителей установлено (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), что наиболее активно поглощаются растениями водорастворимые, способные к обмену и легко восстанавливаемые формы марганца.
Растворимые формы марганца имеют важно е экологическое значение, поскольку его содержание в растениях определяется пулом растворимого в почвах Mn (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). В хорошо дренируемых почвах растворимость Mn всегда возрастает с увеличением кислотности почв. Однако способность марганца образовывать анионные комплексы и комплексы с органическими лигандами может приводить к увеличению его растворимости и в щелочных условиях.
Распределение марганца в почвенной толще весьма неоднородно. Марганец может накапливаться в различных почвенных горизонтах, особенно в обогащённых оксидами и гидроксидами железа, однако обычно элемент аккумулируется в верхнем слое почв за счёт фиксации органическим веществом (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
По данным А. Кабата-Пендиас и Х. Пендиаса (1989), содержание марганца в почвах Мира изменяется от 10 до 9000 мг/кг, а общее среднее оценивается в 545 мг/кг.
1.2 Микроэлементы в растениях
1.2.1 Цинк
Форма поступления Zn в корни растений точно не установлена. Однако в целом мнения сходятся на том, что преобладает поглощение иона Zn2+ и гидратированных форм Zn. А. Д. Халворсен и В. Л. Линдсей (цитировано по Кабата-Пендиас, Х. Пендиасу, 1989) пришли к заключению, что корни кукурузы поглощают только Zn2+ и что даже очень низкие концентрации этого иона достаточны для развития растений.