Спросить
Войти
——— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ =====
УДК 577.170.49: 581.192
МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ПОЧВ И СТЕПНЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ
ЗАПАДНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ1
© 2020 г. В.К. Кашин, Л.Л. Убугунов
Институт общей и экспериментальной биологии Сибирского отделения РАН Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, д. 6. E-mail:kashin-39@mail.ru
Поступила в редакцию 31.05.2019. После доработки 19.08.2019. Принята к публикации 01.09.2019.
Определены средние содержания и диапазоны варьирования 17 микроэлементов в каштановых почвах и растительности степных аридных экосистем Забайкалья. Средние содержания Li, В, А1, Сг, Fe, Со, 2п, 2г в почвах соответствуют их кларкам, принимаемым за эколого-геохимическую норму. Содержания Мо, Ва, Ве в 1.8-2.9 раза выше, Си, №, Мп ниже их кларков, а V и РЬ достигают предельно допустимых концентраций. По степени биологического поглощения из почвы растительностью Мо, 2п, В, Си отнесены к группе с высокой; Li, Мп - к средней; Ве, А1, Т^ V, Сг, Fe, Со, №, 2г, Ва, РЬ - с низкой интенсивностью. Для V, Сг, Мп, Fe, 2п, Ва, РЬ установлена корреляция между содержанием их в растительности и почве (г=0.51-0.82), а для Li, Ве, В, А1, Т^ Со, №, Си, 2г, Мо корреляция отсутствует (г=-0.08-0.39). Выявлен дефицит в растительности В, 2п, Си и повышенное содержание Fe, Мо, Ва, Sг. Определены неблагоприятные отношения между жизненно важными элементами. Оценен вклад надземной фитомассы в биогенную миграцию микроэлементов.
Микроэлементы - важная составляющая минерального питания растений, животных и человека. Многие из них являются жизненно необходимыми, так как, входя в состав биологически активных веществ, выполняют разнообразные каталитические и регуляторные функции метаболических процессов - поглощения, транспорта, окисления-восстановления, биосинтеза органических соединений, передачи генетической информации.
Современная классификация микроэлементов по их значимости для живых организмов представлена в следующем виде: 1) жизненно необходимые - Fe, Мп, I, Си, 2п, Со, Сг, Мо, Se; 2) условно необходимые - Li, В, №, V, Si, F, Вг, Тц 3) потенциально токсичные - Ве, А1, Cd, РЬ, Ва, Т1, Bi (Ребров, Громова, 2008). Помимо этого Fe и Si относят к мезоэлементам. Число биологически значимых элементов расширяется: к элементам, значимым для отдельных видов, сейчас относят As, Вг, Sг, Cd, Sn, Ва, W (Бертини и др., 2013).
Каждый элемент имеет свой диапазон безопасной концентрации, при котором происходит нормальное функционирование организма. При нарушении же его отмечаются различные патологические отклонения в обменных процессах, приводящие в случае недостатка к микроэлементозам дефицита, а при избытке - к микроэлементозам токсичности (Авцын и др., 1991).
В последние десятилетия основное внимание экологов и агрохимиков было сосредоточено на изучении вопросов загрязнения тяжелыми металлами почв, природных вод, растений, обусловленного выбросами промышленных предприятий (Безель, Жуйкова, 2007; Минеев, 1988). Однако воздействию таких выбросов подвергаются незначительные площади. Поэтому не менее важной остается проблема дефицита жизненно необходимых микроэлементов или неблагоприятного соотношения между ними в растениях в фоновых условиях конкретных регионов, вызываемых естественными природными факторами. Это может лимитировать качество и продуктивность
компонентов экосистем. Кроме того, большое экологическое значение имеют потенциально токсичные и малоизученные микроэлементы, которые также участвуют в биологическом круговороте - в обмене организмов с окружающей средой (Одум, 1986). При повышенных концентрациях они могут негативно влиять на деятельность биологически активных веществ в организмах. Поэтому экологическому контролю должны подлежать как физиологически значимые, так и другие, особенно потенциально токсичные, микроэлементы.
Степные экосистемы занимают значительные территории Европейской части России (Тишков, 2010), а также Центральной Азии (Забайкалье, Монголия; Экосистемы ..., 2005), выполняют важные биосферные функции и имеют высокое народнохозяйственное значение. В степях Забайкалья исследован видовой состав, структура растительного покрова, биопродуктивность, биохимический состав, содержание макроэлементов (Бойков и др., 2002; Меркушева и др., 2014). Содержание микроэлементов в растениях и их взаимосвязей с почвой как важный фактор функционирования степных экосистем изучен весьма слабо. Имеются лишь данные по содержанию в растительности Боргойской степи Мп, 2п, Си, Со, J (Харитонов, 1980) и исследование по свинцу в системе «порода - почва - гумусовые вещества - растения» в лесостепных и степных почвах Западного Забайкалья (Чимитдоржиева и др., 2014).
Цель настоящей работы - изучение содержания жизненно необходимых, потенциально токсичных и малоизученных микроэлементов в почвах и растительности сухостепных экосистем. В задачи работы входило: определить региональные характеристики содержания микроэлементов в почвах и растениях, выявить взаимосвязи их в системе «растение - почва», выяснить интенсивность биологического поглощения растениями из почвы, характеризующего их экологическую активность, оценить вынос элементов надземной фитомассой и вовлечение их в биогенную миграцию.
Материалы и методы
Исследования проводили на территориях, занятых сухостепными экосистемами Западного Забайкалья. В сельскохозяйственном отношении эти территории используются главным образом под пастбища для животных. Они простираются с юга на север до 360 км, шириной до 120 км, охватывая южную, центральную и, в меньшей степени северную (Баргузинская котловина) часть Республики Бурятия, приурочены в основном к слабонаклонным, наклонным и увалистым аккумулятивным равнинам, склонам межгорных понижений и водоразделам невысоких повышений 600-800 м н.у.м. БС. Они широко распространены в долинах рек бассейна реки Селенги - главного притока оз. Байкал.
Глубокое внутриматериковое положение региона обусловливает существование этих экосистем в экстрааридных условиях. В качестве ведущих абиотических факторов выступают следующие: климат резко континентальный, с коротким безморозным периодом, количество осадков - 150-250 мм в год, что по шкале увлажнения Л.Г. Раменского относится к полупустынному и сухостепному типам. Относительная влажность воздуха в мае-июне - 25-35%.
Почвообразующими породами служат делювиальные и делювиально-пролювиальные отложения, а также отложения песков и галечников. Основу почвенного покрова составляют каштановые типичные почвы (Kastanozems) с малой мощностью гумусового горизонта. Наиболее существенные эдафические свойства почв, определяющие водный, воздушный и питательный режимы, следующие. Содержание гумуса - 1.5-2.5%, гранулометрический состав - супесчаный или легкосуглинистый (содержание физической глины 15-25%) со слабой водоудерживающей способностью и низкой влагоемкостью. Этим они отличаются от типичных каштановых суглинистых почв Европейской части России (Панкова, Черноусенко, 2018). рН почв - от близко к нейтральной 6.8-7.3 в верхнем горизонте до слабощелочной 7.5-8.0 и более в нижних. В почвенном поглощающем комплексе преобладает Са2+ - 8-13 мг/экв. на 100 г почвы, количество Mg2+ - 3.3-4.9 мг/экв. на 100 г почвы. Каштановые почвы средне обеспечены подвижными формами фосфора, калия и слабо - азотом (Убугунов и др., 1989). В микробном ценозе преобладают представители ксерофитной группы -актиномицеты, олигонитрофилы и другие, способствующие глубокой минерализации поступающих органических остатков, а также самого гумуса (Нимаева, 1989).
Экстрааридность климата способствовала формированию здесь растительности, относящейся к группе ксерофитов, характеризующейся низкорослостью, разреженностью травостоев (проективное
покрытие различных сообществ варьирует от 25 до 60%) и низкой биологической продуктивностью (Бойков и др., 2002; Меркушева и др., 2014).
Объектами исследования служили типичные растительные сообщества, произрастающие в экосистемах Хоринского (Удинская сухая степь), Заиграевского, Иволгинского, Тарбагатайского, Мухоршибирского (Центральная сухая степь), Селенгинского, Джидинского, Кяхтинского (Южная сухая степь) районов Республики Бурятия (Западное Забайкалье; табл. 1).
Таблица 1. Объекты исследования - растительные сообщества, их продуктивность и зольность в сухостепных экосистемах Западного Забайкалья.
№ Растительное сообщество Место отбора проб (село, название степи) Продуктивность воздушно-сухой массы, кг/га Зола, %
Удинская сухая степь
Центральная сухая степь
Южная сухая степь
Сбор полевых материалов производили в фазу цветения растений доминантов на пробных площадках (ПП) 100х100 м в соответствии с методическими рекомендациями, основанными на принципах изучения биологического круговорота (Базилевич и др., 1978). Для оценки суммарного эффекта кормовой ценности и биогеохимической деятельности большой интерес представляет микроэлементный состав не отдельных видов растений, а фитоценозов с определенной площади. Поэтому для учета продуктивности надземной массы, содержания и выноса ею микроэлементов мы срезали растения на уровне 1.5-2 см от поверхности почвы с площади 1 м2 в 4-5-кратной повторности.
Одновременно с взятием проб растительности мы отбирали пробы почв в полиэтиленовые пакеты из наиболее корнеобитаемого слоя (0-20 см). В почвах определяли валовое содержание микроэлементов, поскольку в почвенно-геохимических исследованиях основная доля информации получается в основном за счет валовых содержаний химических элементов. Это связано с тем, что в большинстве своем современные оценки биогеохимических и экологических ситуаций опираются на этот показатель как
сравнительно легко получаемый и апробированный на практике (Ильин, Сысо, 2004).
Определение содержания микроэлементов мы проводили в зольном остатке после деструкции органической основы растительных проб в муфеле с постепенным подъемом температуры до 480°С в сертифицированном на техническую компетентность Аналитическом центре Республики Бурятия: Mn, Cu, Zn, Ni, V, Cr, Pb - атомно-абсорбционным методом с прямой электротермической атомизацией проб; Fe, AI, Li, Ti, Sr, Ba, Mo, Zr - атомно-эмиссионным методом с индуктивно связанной плазмой; В - колориметрическим методом в растворе спиртово-уксусной смеси зольного остатка с хинализарином после серии предварительных операций при его подготовке к измерению оптической плотности при 610 нм (Ринькис и др., 1987, Починок, 1976).
Расчет выноса элементов производили путем умножения их содержания в укосе (мг/кг сухого вещества) на количество сухой фитомассы (кг/га). О взаимосвязи элементов в системе «растение -почва» судили по величине коэффициента биологического поглощения (КБП; Добровольский, 2003) -отношения содержания элементов в золе растений к их валовому содержанию в почве. КБП отражает потенциальную биогеохимическую подвижность элементов в почве. Статистическая обработка результатов проведена стандартными методами (Зайцев, 1990) с использованием программы Microsoft Excel. Парные коэффициенты корреляции рассчитаны между содержанием микроэлементов в почвах и их содержанием в золе растительности (содержание золы - от 5.6 до 7.1%; табл. 1).
Результаты и обсуждение
Вариационно-статистические показатели содержания элементов в почвах, золе растительности и коэффициенты их взаимодействия в системе «растительность - почва» в степных экосистемах представлены в таблице 2. Среднее содержание элементов в почвах изменялись в пределах 3.0 мг/кг у Мо до 74480 мг/кг у Al. Условно их можно подразделить на следующие группы: высокого содержания - Fe, Al - в почвах они относятся к макроэлементам (45360-74480), среднего - Zr, Mn, Ba, Ti (319-5060), низкого-Li, Cu, Ni, Pb, Cr, Zn, V (22-100) и очень низкого - Mo, Be, Co, B (3.0-16.4) мг/кг. Все данные по содержанию микроэлементов в каштановых почвах находятся в пределах нормального варьирования по классификации Г.Н. Зайцева (1990). Содержание в почвах Be, Ba, Li, Ti, Mn, Pb, AI, B, V, Fe - в пределах нижней нормы - 9-22%, а Cr, Ni, Cu, Zn, Zr, Mo - в пределах верхней нормы - 28-35%. Средние содержания V и Pb достигают их предельно допустимой концентрации (ПДК) в почвах.
Данные таблицы 3 показывают, что содержание микроэлементов в укосах степной растительности различалось на 4 порядка: от 0.08 у Be до 219 мг/кг у Fe. По среднему содержанию в растительности микроэлементы условно подразделены на следующие группы: повышенного содержания - Fe, Al (219-266); среднего - Ba, Ti, Sr, Mn, Zn (23-69); низкого - B, Cu, Li, Cr, Mo, V, Zr (1.22-7.0) и очень низкого- Be, Ni, Pb (0.08-0.89) мг/кг. Ряд этих элементов по степени снижения содержания в степной растительности представлен в следующем виде: AI > Fe > Sr > Mn, Ba > Ti > Zn > Cu > B > Zr > Cr > Li > Mo > V > Pb > Ni > Be. В отличие от содержания микроэлементов в почвах, характеризующегося нормальной степенью варьирования, в степной растительности она существенно колебалась: от нижней нормы для Li (16%), верхней - для AI, Mn, Sr, Fe, Cu, Ba, Ti (27-41%), до значительной - для Be, B, Ni, Zn, Zr, Mo, Pb, Cr (45-61%).
Результаты корреляционного анализа показали (табл. 2), что между содержанием микроэлементов в почвах и накоплением их в растительности установлена прямая значимая связь для V, Cr, Mn, Fe, Zn, Ba и Pb. Коэффициенты парной корреляции этих элементов изменялись от 0.57 для Zn до 0.82 для Pb. Для остальных микроэлементов корреляция в системе «растительность - почва» не выявлена.
Сравнительный анализ содержания всех изученных микроэлементов в фитомассе степных сообществ Забайкалья с нормой или с кларками при отсутствии нормы показал (табл. 4), что наиболее оптимально ими обеспечены фитоценозы пробных площадок 3 заиграевской степи и 15 джидинской степи (12 элементов из 17), а также ПП 13 селенгинской степи (8 из 13) и ПП 16 боргойской степи (10 из 17). Наименьшая обеспеченность растительности микроэлементами отмечена на ПП 11 селенгинской степи (10 элементов из 15, в норме - 1, повышенная 2). Наиболее неблагоприятная обеспеченность степных фитоценозов микроэлементами характерна на ПП 7 иволгинской степи (7 элементов из 15, содержание повышено в 2.0-3.7 раза, в норме - 5) и ПП 14 селенгинской степи (5 из 15, повышено в 2.9-4.1 раза, в норме - 5).
Таблица 2. Вариационно-статистические показатели содержания (С) микроэлементов в каштановых почвах, золе растительности и коэффициент корреляции (г) в системе «почва - растительность» степных фитоценозов.
Элемент С в почвах, мг/кг V*, % C в золе, мг/кг V, % г Кларк в почвах, мг/кг*** ПДК в почвах, мг/кг****
M±m пределы M±m пределы
Li 22.3±0.6 18-27 11 34.3±1.14 28-43 15 0.19 25 -*****
Ве 3.59±0.08 3.0-4.25 9 1.12±0.09 0.75-2.10 33 -0.08 2 10
В 16.4 ±1.29 13-22 21 57.0±9.5 27-97 44 -0.07 20 25
А1 74480±320 53100-94980 17 6638±1090 2500-15000 66 0.29 71000 ТС 5060 ±148 3670-6080 13 557±41 325-960 33 0.23 5000 V 100±5.2 78-156 21 18.7±1.69 10-35 37 0.56** 90 100/150
Сг 62±4.2 35-98 28 35.0±2.6 17-53 31 0.72 70 100/90
Мп 786±28 535-960 15 827±45 400-1125 22 0.60 1000 1500
Fe 45360±261 30040-60110 22 3875±164 1470-8000 46 0.70 40000 Со 10.9±0.07 9-15 20 8.8±0.29 6-10 10 0.05 8 50
№ 29.1±2.0 15-49 28 9.5±0.88 4-16 38 0.21 50 100
Си 25.0±2.1 10-49 35 80.0±8.4 33-175 42 0.39 30 100
Ва 973±25 802-1266 11 640±41 300-930 29 0.51 500 РЬ 35.0±1.4 28-48 16 13.4±1.1 9-25 33 0.82 12 100/32
Примечание к таблице 2: *У - коэффициент вариации, ** - жирным шрифтом обозначено наличие корреляционной связи между содержанием микроэлементов в почвах и содержанием их в золе растительности, *** - кларк в почвах (Требования ..., 2002), **** - ПДК в почвах, в числителе А. К1оке (1980), в знаменателе - «Методические ...» (2004), *****- нет данных.
Что касается обеспеченности степной растительности отдельными микроэлементами, то во всех фитоценозах выявлен дефицит В и № и пониженное по сравнению с кларком 2г, в пределах нормы -Мп и Li, выше нормы концентрация Fe в растительности всех ПП от 2.2 до 6.5 раза, Мо в 15 1111 (в 2.3-10.8 раза), Ва в 14 ПП (1.7-4.2), Sг в 14 ПП (1.7-3.9). Превышение максимально допустимого уровня в растительности отмечено для Мо (>3 мг/кг) на трех ПП, Fe (>300 мг/кг) на двух и Сг (>5 мг/кг) на двух ПП. Следует отметить отсутствие нормативов в растениях для таких токсичных микроэлементов, как Ве и А1. На основании выявленных различий можно заключить, что степная растительность Забайкалья обеспечена микроэлементами в значительно различающихся пределах -от дефицита для одних до превышения максимального уровня для других.
Сравнение с кларками элементов в почвах, принимаемых за эколого-геохимическую норму (Требования ..., 2002; Сает и др., 1990), показало, что средние содержания 10 микроэлементов
В, А1, Т^ V, Сг, Fe, Со, 2п, 2г) в изучаемых почвах им практически соответствуют. Повышенное содержание выявлено для РЬ в 2.9, Мо в 2.5, Ва в 1.9 и Ве в 1.8 раза, пониженное - Мп в 1.7, № в 1.4, Си в 1.2 раза, что обусловлено преобладанием в качестве коренных пород в регионе гранитоидов, характеризующихся повышенным количеством РЬ, Мо, Ва, Ве и пониженным Мп, №, Си. Оценка содержания микроэлементов в почвах с санитарно-гигиеническми критериями (ПДК или ОДК; Предельно ..., 2001; К1оке, 1980) показала превышение концентрации Ва и РЬ. Однако биологическая доступность этих элементов в почвах низкая, о чем свидетельствует КБП: от 0.37 у РЬ до 0.6 у Ва (рис. 1). Аналогичные данные по КБП для этих элементов получены у люцерны - 0.31±0.02 и 0.55±0.05 (Кашин, 2018).
Среднее содержание Ве, Fe, Си, V в степной растительности Забайкалья соответствует их кларкам в растительности суши (табл. 4); Т в 1.3, 2п, РЬ в 1.4, А1 в 1.9, Мп в 2.0, 2г в 2.5, № в 2.8, В в 4.3 меньше кларка; Li, Сг в 1.3, Sг в 2.0, Ва в 2.4, Мо в 3.7 раза выше кларка.
Причина подобного может заключаться в разных уровнях и биодоступности микроэлементов в почвах, степени барьерности их транслокации в надземные части растений, соотношении видов в сообществах, экологических и видовых различиях накопления элементов в растениях, а также в особенностях физико-химических свойств элементов. В частности, повышенное накопление молибдена и хрома определяется анионогенными свойствами этих элементов, проявляющих более высокую подвижность в нейтральной и щелочной среде, которая характерна для почв сухостепной зоны, тогда как большинство других элементов здесь малоподвижно. Хром и молибден входят в У1Б группу периодической таблицы, близки по химическим свойствам, на последних электронных слоях имеют одинаковое количество электронов: Сг - 3d54s1, Мо - 4d55s1.
Таблица 3. Содержание микроэлементов в надземной массе степных фитоценозов. мг/кг (названия фитоценозов в: Материал и методы).
Фитоценоз Li Be B Al ТС V Сг Mn Fe № Си Zn Sr Zr Mo Ba рь
Удинская сухая степь
Центральная сухая степь
Южная сухая степь
Среднее 1.97 0.080 5.8 266 43 1.22 2.36 55 219 0.71 7.0 22.0 69 3.04 1.86 55 0.89
Пределы 1.162.58 0.0560.170 1.810.8 168370 20-66 0.582.11 0.636.60 30-85 132390 0.261.60 2.012.4 8.0-49.0 45136 0.635.95 0.325.44 17-93 0.562.70
У,% 16 45 47 36 41 45 61 27 35 55 59 31 47 49 43 48
Примечание к таблице 3: * - не определялось.
Кроме того, возможны и конкурентные взаимоотношения при поглощении элементов корневой системой: повышенное содержание железа может снижать поступление в растения меди, цинка, никеля. Высокое содержание бария и стронция в степной растительности региона обусловлено значительно повышенной концентрацией этих элементов в горных породах Забайкалья по сравнению с их кларками. Так, в батолитовых гранитоидных комплексах Джидинского района содержание бария в среднем составляло 1470, стронция -825 мг/кг (Дворкин-Самарский и др., 1983), при их кларках в гранитоидах 800 и 650 мг/кг или кларках земной коры 470 и 370 мг/кг (Требования ..., 2002).
Важную роль в снижении поглощения свинца играет слизь, покрывающая корни. В составе слизи преобладает углеводный компонент, основу которого составляют гидроксильные и карбоксильные
функциональные группы. Наиболее высоким сродством к этим группам обладают ионы свинца (Серегин, Кожевникова, 2008). Поэтому при высоких содержаниях свинца в почвах Забайкалья (даже превышающих ПДК) его содержание в растениях характеризуется низкими значениями - 0.561.65 мг/кг, тогда как токсичными концентрациями считаются 3-5 мг/кг (Минеев, 1988). Аналогичные данные в отношении свинца получены в исследовании Г.Д. Чимитдоржиевой с соавторами (2014) в Забайкалье. Что касается Sr, то он связывается с материалом слизи значительно слабее, чем РЬ, чем обусловлены его высокая мобильность и более быстрое поступление в растения (Серегин, Кожевникова, 2008).
Таблица 4. Среднее (кларк в растительности суши) содержание микроэлементов и нормы обеспеченности ими растений (по данным разных источников), мг/кг.
Элемент Источник
В.В. Добровольский (2003) Н.И. Лебедев (1990) Хенниг (1976) Б.Д. Кальницкий (1985) В.Г. Минеев (1988) А. КаЬа1а (2011) В.В. Ковальский (1991)
Среднее Норма Норма Норма Норма Норма Избыток Норма Избыток
Li 1.5 _* - - - 3.0 5.0 - Ве 0.10 - - - 0.10 <1.0 10 - В 25 - - - 30-75 10 50 27-65 65
А1 500 - - - - 200 - - ТС 32.5 - - - - 15-80 200 - V 1.5 0.4-0.6 - - - 0.2-1.5 5 - Сг 1.8 0.4-0.6 - - 0.2-1.0 0.1-0.5 5 - Мп 205 50-70 60 40-60 - - 500 20-60 500
Fe 200 50-80 40-70 50-70 - - - 25-50 300
Со 0.5 0.8-1.0 0.10 0.1-0.5 0.3-0.5 0.2-1.0 15 0.3-0.5 1.0
№ 2.0 - - - 0.4-3.0 0.1-1.7 10 - Си 8.0 6-10 8 8-12 2-12 5-20 30 3-12 20
Sr 35 50-60 - - - - - - 2г 7.5 - - - - - 15 - Мо 0.5 0.1-0.15 0.10 0.5-1.0 - 0.2-1.0 10 0.25-1 3
Ва 22.5 17-20 - - - - 500 - РЬ 1.25 - - - 0.1-5 2.0 - - Примечание таблице 4: * - нет данных.
Взаимодействие микроэлементов в системе «почва - растение» определяется главным образом доступностью химических соединений почвы, биологическими особенностями растений и значимостью элементов в метаболизме. Как видно из рисунка 1, большинство изученных нами микроэлементов относится к группе с низкой интенсивностью поглощения, КБП у которой менее 1.0. Это прежде всего потенциально токсичные и условно необходимые элементы (Ве, А1, ТС, V, Сг, Fe, Со, №, 2г, Ва, РЬ). Некоторые из них присутствуют в почве преимущественно в формах, мало доступных для растений (А1, ТС, Fe, 2г, Ва), а также принимают слабое участие в биологических процессах, за исключением Fe. Высокая и средняя интенсивность биологического поглощения фитоценозами степных ландшафтов отмечена для жизненно необходимых элементов: Мо (10.5), 2п (5.2), В (3.6), Си (3.4), Мп (1.1). На основании этих данных можно сделать заключение о существенно различной экологической активности изученных элементов в почвах.
Коэффициенты биологического поглощения характеризуют региональные биогеохимические
особенности растений и отражают степень взаимосвязи концентрации элементов в системе «растение - почва». Сравнение с таблицей группирования химических элементов по КБП (Перельман, Касимов, 1999) выявило, что В, по нашим данным, относится к группе среднего биологического захвата, а не к группе сильного биологического поглощения; V, Сг, Li - к группе среднего, а не слабого и очень слабого захвата; Мо - к группе сильного биологического накопления, а не среднего биологического захвата. Сравнивая интенсивность биологического поглощения микроэлементов растительностью степных ландшафтов Забайкалья и растительностью суши (Добровольский, 2003), следует отметить, что степная растительность более активно поглощает Си и Li, практически одинаково А1, Fe, Ва, Мо и менее активно остальные 11 элементов.
Рис. 1. Коэффициенты биологического поглощения жизненно необходимых (А), условно необходимых (Б) и потенциально токсичных (В) микроэлементов степной растительностью Забайкалья (среднее из 8).
Рис. 2. Вынос микроэлементов надземной массой степной растительности
Забайкалья (среднее из 8).
Наряду с уровнем содержания микроэлементов для процессов жизнедеятельности в растениях большое значение имеет и соотношение между ними, поскольку при его нарушении могут проявляться сложные антагонистические или синергетические взаимоотношения. Физиологическое равновесие ионов в клетках играет существенную роль в поддержании структурной целостности и нормального функционирования организмов. Изменения отношений между целым рядом элементов используются в качестве биогеохимических индикаторов состояния экосистем.
Отношения Fe:Zn и Fe:Mn в нормально обеспеченных растениях, по данным В.В. Ковальского (1991) и Н.И. Лебедева (1990), составляют 1.7 и 1.0, тогда как в степной растительности в среднем, по нашим данным, 9.5 и 4.0 за счет очень высокого содержания Fe. Отношение Zn:Cu, по данным этих же авторов, равно 5, по нашим - 7. Особую значимость имеет соотношение Си:Мо. Нормальное соотношение этих элементов составляет 1:0.12, в степной растительности Забайкалья - 1:0.38, т.е. ниже в 3.6 раза. Это может быть причиной энзоотической атаксии овец, что отмечается в Забайкалье (Балдаев, Кириллов, 1986).
При несбалансированности минерального питания как в растениях, так и у животных могут быть различные эндемические заболевания (Ковальский, 1991; Кузнецов, 1991). Несмотря на практическую важность, следует отметить слабую изученность вопроса соотношения между различными микроэлементами и макро- и микроэлементами в растениях. В частности, большое значение может иметь соотношение Sг к Ва (а также их соотношение к Са), так как содержание этих элементов в растениях находится на уровне таких жизненно важных элементов, как Мп и Zn, и значительно выше, чем Со, Мо, Си. По нашим данным, среднее отношение Sг к Ва в степной растительности составляет 1.3, в растительности суши - 1.6 (Добровольский, 2003).
Сопоставление с 10-балльной шкалой Н.И. Базилевич (1993) по приросту биомассы показало, что изученная нами степная растительность в связи с экстремально низкой водообеспеченностью относится к очень малопродуктивной (1 балл < 10 ц/га). Поэтому содержание микроэлементов в укосе фитомассы на единицу площади и вовлечение их в биогенную миграцию надземной части очень низкое (рис. 2). Вынос Ве, №,, РЬ, V находится в диапазоне 0.1-0.93 г/га; Мо, Li, Сг, Zг, В, Си -1.1-4.8 г/га; Zn, Т^ Мп, Ва, Sг - 21-47 г/га; Fe, А1 - 135-164 г/га. По сравнению с имеющимися в литературе данными по захвату элементов ежегодным приростом растительности суши (Добровольский, 2003) вынос А1, Т^ Сг, Fe, Zn, Sг, Ва, РЬ степной растительностью Забайкалья на 1 порядок, а остальных 7 микроэлементов на 2 порядка ниже.
Выводы
Каштановые почвы степных экосистем Западного Забайкалья характеризуются в сравнении с кларками нормальным содержанием Li, В, А1, Т^ V, Сг, Со, Zn, Zг, повышенным - РЬ в 2.9, Мо в 2.5, Ва в 1.9, Ве.в 1.8 раза, пониженным - Мп в 1.7, № в 1.4, Си в 1.2 раза, что определяется преобладанием в качестве коренных пород гранитоидов - пород кислой группы.
Определены средние величины и диапазоны варьирования содержания 17 микроэлементов в степной растительности Забайкалья. По уровню содержания выделены элементы повышенного ^е, А1 - >200 мг/кг), среднего (Ва, Т^ Sг, Мп, Zn - 23-69), низкого (В, Си, Li, Сг, Мо, V, Zг - 1.22-7.0) и очень низкого содержания (Ве, №, РЬ - 0.08-0.89 мг/кг). Выявлена значительная неоднородность содержания микроэлементов в растительности, обусловленная как биологическими особенностями растений, интенсивностью их поглощения из почвы, так и эколого-геохимическими факторами, определяющими биодоступность элементов. Наименьший коэффициент вариации (16%) отмечен для Li, наибольший - для Сг (61%). По интенсивности биологического поглощения из почвы растительностью (КБП), характеризующей экологическую активность элементов в почве, Мо (10.5), Zn (5.2), В (3.6), Си (3.4) отнесены к группе с высокой; Li (1.6), Мп (1.1) - к средней; Ве, А1, Т^ V, Сг, Fe, Со, №, Zг, Ва, РЬ (0.09-0.83) - с низкой интенсивностью. Для V, Сг, Мп, Fe, Zn, Ва, РЬ установлена средняя и сильная положительная корреляция между содержанием их в растительности и почве (г=0.51-0.82). Для остальных микроэлементов корреляция между этими показателями отсутствует: Ве, В, Zг (г=-0.07-0.08), Li, А1, ТС, №, Си, Мо (0.19-0.39).
Сравнение содержания микроэлементов в степной растительности с нормами обеспеченности (или с кларками) выявило, что выше нормы концентрация Fe (в 3.7 раза), Мо (2.3), Ва (2.8), Sг (1.3); в пределах нормы - Мп; ниже нормы - Zn (1.8), Си (1.4), В (3.4). Превышение максимально допустимого уровня в растительности отмечено для Мо на трех пробных площадках, Fe и Сг на двух. Различия в содержании являются причиной неблагоприятного отношения в растительности между Fe:Zn, Fe:Mn, Zn:Cu, Си:Мо.
В связи с низкой биологической продуктивностью степных фитоценозов вовлечение микроэлементов в биогенную миграцию надземной фитомассы на 1-2 порядка меньше в сравнении со средним захватом их годовым приростом растительности суши.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Авцын А.П., Жаворонков А.А., РишМА., Строчкова Л.С. 1991. Микроэлементозы человека: этиология,
классификация, органопатология. М.: Медицина. 496 с. Базилевич Н.И. 1993. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука. 293 с. Базилевич Н.И., Титлянова А.А., Смирнов В.В. 1978. Методы изучения биологического круговорота в
различных природных зонах. М.: Мысль, 183 с. Балдаев С.Н., Кириллов С.А. 1986. Корма и профилактика эндемических болезней овец. Улан-Удэ: Бурятское
книжное издательство. 123 с.
БезельВ.С., Жуйкова Т.В. 2007. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов надземной фитомассой травянистой растительности II Экология. № 4. С. 259-267.
Бертини И., Грей Г., Валентине Дж. 2013. Биологическая неорганическая химия: структура и реакционная способность. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний. T. 1. 456 с.
Бойков Т.Г., Харитонов Ю.Д., Рупышев Ю.А. 2002. Степи Забайкалья: Продуктивность, кормовая ценность, рациональное использование и охрана. Улан-Удэ: Издательство БНЦ СО РАН. 228 с.
Дворкин-Самарский В.А., Каперская Ю.Н., Козулина И.М. 1983. Закономерности распределения бария и стронция в горных породах Забайкалья. Улан-Удэ: БФ СО АН СССР. 152 с.
Добровольский В.В. 2003. Основы биогеохимии. М.: Академия. 400 с.
Зайцев Г.Н. 1990. Математика в экспериментальной ботанике. М.: Наука. 296 с.
Ильин В.Б., СысоА.И. 2004. Особенности микроэлементного состава почв Западной Сибири и их отражение в региональной биогеохимии, экологии, почвоведении II Сибирский экологический журнал. № 3. С. 259-271.
Кальницкий Б.Д.1985. Минеральные вещества в кормлении животных. Л.: Агропромиздат. 207 с.
Кашин В.К. 2018. Содержание микроэлементов в люцерне в Западном Забайкалье II Агрохимия. № 8. С. 46-51.
Ковальский В.В. 1991. Геохимическая среда, микроэлементы, реакции организмов II Tруды Биогеохимической лаборатории. T. 22. С. 5-24.
Кузнецов С.Г. 1991. Биохимические критерии обеспеченности животных минеральными веществами II Сельскохозяйственная биология. № 2. С. 16-33.
Лебедев Н.И. 1990. Использование микродобавок для повышения продуктивности жвачных животных. Л.: ВО Агропромиздат. 96 с.
Меркушева М.Г., Аненхонов О.А., Бадмаева Н.К., Сосорова С.Б. 2014. Степные сообщества на каштановых почвах Западного Забайкалья: разнообразие и биопродуктивность II Аридные экосистемы. T. 20. № 3. С. 59-69.
Методические рекомендации по определению степени загрязнения городских почв и грунтов и проведению инвентаризации территорий, требующих рекультивации. 2004. М.: ИМГРЭ. 48 с.
Минеев В.Г. 1988. Экологические проблемы агрохимии. М.: Изд-во МГУ. 285 с.
Нимаева С.Ш. 1989. Микробиологические основы плодородия почв Западного Забайкалья II Почвенные ресурсы Забайкалья. Новосибирск: Наука. С. 88-101.
ОдумЮ. 1986. Экология. М.: Мир. T. 1. 328 с.
Панкова Е.И., Черноусенко Г.И. 2018. Сопоставление каштановых почв Центральной Азии с их аналогами в других почвенно-географических провинциях сухостепной зоны суббореального пояса Евразии II Аридные экосистемы. T. 24. № 2. С. 13-21.
Перельман А.И., Касимов Н.С. 1999. Геохимия ландшафта. М.: «Астрея-2000». 768 c.
ПочинокХ.Н. 1976. Методы биохимического анализа растений. Киев: Наукова думка, 334 с.
Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. 2001. СПб: АНО НПО «Мир и семья». 896 с.
Ребров В.Г., Громова О.А. 2008. Витамины, макро- и микроэлементы. М.: ГЭOTАP-Mедиа. 960 с.
Ринькис Г.Я., Рамане Х.К., Куницкая Т.А. 1987. Методы анализа почв и растений. Рига: Зинатне. 174 с.
Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. 1990. Геохимия окружающей среды. М.: Недра. 335 с.
Серегин И.И., Кожевникова А.Д. 2008. Роль тканей корня и побега в транспорте и накоплении кадмия, свинца, никеля и стронция II Физиология растений. T. 55. № 1. С. 3-26.
Тишков А.А. 2010. Биосферные функции и экосистемные услуги ландшафтов степной зоны России II Аридные экосистемы. T. 16. № 1. С. 5-15.
Tребования к производству и результатам многоцелевого геохимического картирования. 2002. М.: ИМГРЭ. 92 с.
Убугунов Л.Л., Меркушева М.Г., Бойков Т.Г.1989. Основные принципы управления плодородием почв в сухостепной зоне II Почвенные ресурсы Забайкалья. Новосибирск: Наука. С. 141-149.
Харитонов Ю.Д. 1980. Кормовая ценность степных пастбищ Юго-Западного Забайкалья. Новосибирск: Наука. 128 с.
ХеннигА. 1976. Минеральные вещества, витамины, биостимуляторы в кормлении сельскохозяйственных животных. М.: Колос. 560 с.
Чимитдоржиева Г.Д., Бодеева Е.А., Нимбуева О.З. 2014. Свинец в системе порода-почва-гумусовые вещества-растения на примере лесостепных и степных почв Западного Забайкалья II Сибирский экологический журнал. № 3. С. 485-492.
Экосистемы бассейна Селенги. 2005 I Ред. Е.А. Востокова, П.Д. Гунин. М.: Наука. 359 с.
KabataA. 2011. Trace Elements in Soils and Plants. 4th ed. London - New York: CRC Press Tailor and Francis Group Boca Rato^ 534 p.
KlokeA. 1980. Richtwerte &80. Orientierungsdaten fur tolerierbare Gesamtgehalte einiger Elemente in Kulturboden II Mitteilungen VDLUFA. No. 1I3. P. 9-11.
