Биологическая миграция тяжелых металлов в системе почва-растения при использовании микробиологических удобрений и регуляторов роста рас

      3. Почвы и процессы в них

          3.1. Общая характеристика почв

     Почва - самостоятельное естественноисторическое органоминеральное природное тело, возникающее  на поверхности Земли  в результате длительного воздействия биохимических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твердых минеральных и органических частиц, воды, воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия (Минеев В.Г., 2004).

       Состав почв крайне разнообразен, и, хотя он зависит от множества  факторов, главную роль обычно играют климатические условия и состав коренных пород. Почва состоит из трех фаз - твердой (минеральной и органической), жидкой и газообразной, и ее свойства возникают в результате физических и химических равновесий между этими фазами (Добровольский В.В., 1983).

      Газовая фаза (почвенный воздух) - результат взаимодействия атмосферного воздуха и образующихся в почве газов. Состав почвенного воздуха отличается от атмосферного повышенным содержанием углекислого газа и несколько меньшим - кислорода. В почве происходит постоянное потребление кислорода и выделение диоксида углерода в результате разложения органических веществ, дыхания корней растений, животных, насекомых, простейших и микроорганизмов, а также некоторых химических реакций. Содержание CO₂ в почвенном воздухе зависит от интенсивности газообмена между почвой и атмосферой. Образующийся в почве CO₂ частично выделяется в атмосферу, а частично растворяется в почвенной влаге (Тейт Р., 1991). При растворении диоксида углерода в почвенной влаге образуется угольной кислоты, которая диссоциирует на ионы Н⁺ и НСО₃^- и подкисляет жидкую фазу почвы:

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ → Н⁺ + НСО₃^-

      Обогащение почвенного раствора CO₂ усиливает растворяющее действие его на минеральные соединения почвы (фосфаты и карбонаты и др.), способствует переводу их в усвояемые для растений формы. В то же время очень высокое содержание CO₂ и недостаток O₂ в почвенном воздухе отрицательно влияют на развитие растений и микроорганизмов. При недостатке O₂ ухудшается дыхание и рост корней, уменьшается усвоение растениями питательных веществ.

      Жидкая  фаза (почвенный раствор) - образуется из воды, поступающей с осадками, из грунтовых и паводковых вод, при конденсации водяных паров и растворимых в почвенном растворе веществ твердой газообразной фаз. Это наиболее подвижная и активная фаза почвы, в которой совершаются разнообразные химические процессы и из которой растения усваивают питательные элементы (Орлов Д.С., 2005).

      В зависимости от типа почв в почвенном  растворе содержатся катионы (Ca^2+, Mg²⁺ H⁺, Na⁺, K⁺, NH4⁺ и др.), анионы (HCO₃^-, OH^-, Cl^-, NO₃^-, SO₄^-, H₂PO₄^-  и др.), водорастворимые органические соединения и растворимые газы CO₂, O₂, NH₃ и др.

      Состав  и концентрация почвенного раствора могут заметно изменяться под влиянием ряда факторов. Содержание солей в нем повышается при внесении удобрений, снижении влажности почвы, усилении минерализации органического вещества. Усвоение питательных веществ растениями, вымывание растворимых соединений в нижележащие горизонты или переход их в нерастворимые формы приводят к уменьшению концентрации почвенного раствора (Орлов Д.С., 2005).

      Твердая фаза почвы состоит из минеральной (90-99,5 %) и органической (10-0,5 %) частей, представленных полидисперсными частицами и агрегатами.

      Минеральная часть представлена различными по размерам частицами пород, первичных (более 0,001 мм) и вторичных (менее 0,001 мм) минералов, аморфных соединений и солей. Гранулометрический состав почвы зависит от минералогического состава, влияет на химический и определяет многие физические, физико-химические и химические ее свойства. В песчаных и супесчаных почвах преобладают первичные минералы, суглинистые состоят из смеси первичных и вторичных минералов, а глинистые - преимущественно из вторичных минералов с примесью кварца (Ягодин Б.А., 2002).

      Органическая  часть почвы – это комплекс разнообразных органических соединений, разделенных на две группы: 1) собственно гумус 2) негумифицированные.

      Гумусовые вещества (гумус). Составляют 80—90 % общего содержания органического вещества почв. Гумусовые вещества состоят из ряда высокомолекулярных соединений, имеющих кислотный характер. Большая часть из них находится в различных формах связи с минеральной частью почвы. Основными группами гумусовых веществ является: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины.

• Гуминовые кислоты принимают активное участие в процессах обменного поглощения ионов и образования соединений с солями, аморфными веществами и минералами, обусловленное наличием в них огромного числа функциональных групп (карбоксильные, фенольных, метоксильные, карбонильные).
• Фульвокискислоты имеют более простое строение чем гуминовые кислоты, но содержат те же функциональные группы. Они                           более подвижны, азотистые соединения их молекул легче подвергаются гидролизу, чем гуминовых кислот.
• Гумин представляет собой комплекс сложных эфиров гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с глинистыми минералами и другими веществами минеральной части, что и обусловливает его высокую устойчивость к химическому и микробиологическому разложению. Гумины практически не могут быть непосредственными источниками питательных элементов для растений, но благодаря наличию многих функциональных групп удерживают в усвояемой для растений форме эти элементы, поступающие из почв и удобрений. Они влияют на емкость, буферность почв, передвижение и превращение питательных элементов (Ягодин Б.А., 2002).

      Негумифицированные  вещества составляют 10—20 % общего запаса органических веществ, но являются непосредственным источником питательных веществ для растений и биоты. Некоторые из них оказывают стимулирующее или ингибирующее действие на рост и развитие живых организмов и одновременно влияют на трансформацию питательных элементов почвы и удобрений из недоступных для растений форм в усвояемые и обратно (Ягодин Б.А., 2002).  

      3.2. Микроэлементный состав почв

     Микроэлементы занимают особое место в химии  почв, выполняя важную физиологическую  функцию, причем установлено, что количество элементов и соединений может  играть и положительную, и отрицательную роль (Орлов Д.С., 2005). До тех пор, пока тяжелые металлы прочно связаны с составными частями почвы и труднодоступны, их отрицательное влияние на почву и окружающую среду будет незначительным. Однако если почвенные условия позволяют перейти тяжелым металлам в почвенный раствор, появляется прямая опасность загрязнения почв, возникает вероятность проникновения их в растения, а также в организм человека и животных, потребляющие эти растения.

     Почвы с высокой адсорбционной способностью соответственно и высоким содержанием  глин, а также органического вещества могут удерживать эти элементы, особенно в верхних горизонтах. Это характерно для карбонатных почв и почв с нейтральной реакцией. В этих почвах количество токсических соединений, которые могут быть вымыты в грунтовые воды и поглощены растениями, значительно меньше, чем в песчаных кислых почвах. Однако при этом существует большой риск в увеличении концентрации элементов до токсичной, что вызывает нарушение равновесия физических, химических и биологических процессов в почве. Тяжелые металлы, удерживаемые органической и коллоидной частями почвы, значительно ограничивают биологическую деятельность, ингибируют процессы иттрификации, которые имеют важное значение для плодородия почв.

     Песчаные  почвы, которые характеризуются  низкой поглотительной способностью, как и кислые почвы очень слабо удерживают тяжелые металлы, за исключением молибдена и селена. Поэтому они легко адсорбируются растениями, причем некоторые из них даже в очень малых концентрациях обладают токсичным воздействием (Терентьев А.Т., 1956).

      Содержание  микроэлементов в почвах Амурской области изучено слабо. На всех почвах для сои не хватает молибдена. Для других культур на лугово-бурой черноземовидной почве молибдена достаточно. В бурых лесных и буро-аллювиальных почвах мало бора, и применение борных удобрений перспективно для сои. В лугово-бурых черноземовидных почвах мало подвижного цинка, но приемы эффективного использования цинковых удобрений пока не разработаны. Меди в этих почвах достаточно, марганца много (Куркаев В.Г., 1965).

      Относительное содержание цинка в почвах зависит от ряда факторов и колеблется в пределах от 20 до 12 мг/кг почвы (Каталымов М.В., 1957). Из этого на долю растворимого цинка приходится не более 1% (Войнар А.И., 1960). Так как основные породы богаче цинком, чем кислые, то и образовавшиеся из них почвы содержат больше цинка. Более богатые гуминовыми веществами почвы лучше удерживают цинк, что связано, по-видимому, с образованием труднорастворимых гуматов цинка. Этим и объясняется то, что почвы тундр содержат цинка в 1,5 - 2 раза больше, чем другие почвы. Хорошо промываемые песчаные и подзолистые почвы содержат меньше цинка, так как они бедны гуминовыми веществами (Ермоленко Н.Ф., 1966).

      Увеличение  кислотности почвы приводит к  возрастанию подвижности цинка, и, наоборот, уменьшение pH до 6,0 - 6,5 - резкому ослаблению. При pH более 7,0 подвижность цинка опять возрастает, так как образуются цинкаты - соединения Na₂ZnO₂, в которые цинк входит в состав аниона ZnO₂^2-. При внесении в почву высоких доз фосфатов подвижность цинка резко уменьшается (Кабанов Ф.И., 1977).

      Наименьшее  количество этого цинка находится  в нейтральных почвах, наоборот, кислые дерново-подзолистые и торфяные характеризуются повышенным содержанием  подвижного цинка, причем его содержание возрастает с уменьшением pH (Кабата-Пендиас А., 1989). Солончаковые и солонцеватые почвы содержат больше всего подвижного цинка (0,0087 - 0,014%), что связано с высокой дисперсностью и наличием в них соединений типа цинкатов натрия и калия. Промежуточное положение по количеству подвижных форм цинка занимают черноземы и серые лесные почвы; меньше всего таких форм в подзолистых почвах (Войнар А.И., 1960).

     Богатство черноземных почв гумусом определяет высокое содержание в них цинка  (Кабанов Ф.И., 1977).

      Органическое  вещество способно связывать Zn в устойчивые формы, вследствие чего наблюдается накопление Zn в органических горизонтах почв и торфе. (Кабата-Пендиас А.,1989).

      Недостаток  цинка наблюдается в карбонатных  почвах, легких по механическому составу, а также в почвах, содержащих много медленно разлагающегося органического вещества. На вновь осваиваемых  малоплодородных и старых выпаханных почвах также часто не хватает цинка (Каталымов М.В.,1957).

      Медь. Содержание подвижных форм меди колеблется в пределах от 1 до 5 мг/кг. Высокое содержание меди в верхних горизонтах почв по сравнению с материнскими горными породами связано с биологической активностью растений и ее аккумуляцией. В сероземах, каштановых почвах и черноземах наибольшим содержанием меди обладают перегнойные горизонты. С глубиной горизонта содержание меди в почвах понижается. В дерново-подзолистых почвах наблюдается аккумуляция меди в дерновом горизонте, понижение ее содержания в подзолистом и повышение в горизонте вымывания (Возбуцкая А.Е.,1968).

      Степень подвижности меди в гумусовых горизонтах в среднем равна 14% и варьирует в пределах от 5,2 до 22,2% (Удрис Г.А.,1990).

      Медь образует большое число минералов, из которых наиболее распространенные первичные минералы - простые и сложные сульфиды. Они довольно легко растворяются при выветривании и высвобождают ионы меди. Особенно это характерно для кислых сред. Поэтому медь считается одним из наиболее подвижных ТМ в гипергенных процессах (Кабата-Пендиас А.,1989).

        Ионы меди способны прочно  удерживаться в обменных позициях  как на неорганических, так и  на органических веществах. Процессы, контролирующие фиксацию меди на восстанавливающих почву компонентах, связаны со следующими явлениями: адсорбцией; окклюзией и соосаждением; образованием органических хелатов  комплексообразованием; микробиологической фиксацией (Кабата-Пендиас А.,1989).