УДК 631.81.095.337

DOI: 10.24412/cl-36359-2021-708-714

БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЭКОСИСТЕМАХ  СУХО-СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТОВ КАЛМЫКИИ

BIOGENIC MIGRATION OF TRACE ELEMENTS IN ECOSYSTEMS DRY-STEPPE LANDSCAPES OF KALMYKIA

Л.Х. Сангаджиева, Ц.Д. Даваева, О.С. Сангаджиева, Е.Н. Бамбаева, А.В. Манжикова

L.H. Sangadzhieva, C.D. Davaeva, O.S. Sangadzhieva, E.N. Bambaeva, A.V. Manzhikova

Калмыцкий государственный университет им. Б.Б. Городовикова, Элиста, Россия

B.B. Gorodovikov Kalmyk State University, Elista, Russia

E-mail: chalga_ls@mail.ru

Аннотация. Актуальность данных исследований в изучении закономерности распределения и поведения элементов на юге Ергенинской возвышенности и в долине р. Восточный Маныч и включает основные компоненты: порода – почва – вода – растительность. Установлено, что имеются экстремальные территории и почвы, где из-за недостатка или избытка микроэлементов – бор, молибден, фтор. Содержание основных элементов питания в почвах исследуемых районов распределено неравномерно: гидролизуемый азота находится в пределах 1-5 мг/100 г почвы, что свидетельствует о его низком уровне особенно для пахотных почв, низкий уровень подвижного фосфора пределы 16-39 мг/100 г почвы, средний уровень калия, который повторяет распределение фосфора, но концентрация его на уровень выше, низкая обеспеченность  почв гумусом в пределах 3,2-4,5%. Почвообразующие породы изучаемой территории Калмыкии обеднены всеми элементами за исключением бора и молибдена. Максимальное содержание микроэлементов найдено в тяжелых суглинках и глинах, минимальное в супесях и песках. Важное место среди изучаемых химических элементов занимает микроэлемент бор, потому что почвы, в значительной части исследованной территории, содержат высокое количество этого микроэлемента, в связи с чем, можно говорить о существовании области борного засоления на юге Ергенинской возвышенности. Средние запасы валового бора в 100-сантиметровом слое различных подтипов каштановых почв из расчета на 1 га примерно одинаковы и составляют 475-567 кг/га. Среднее содержание молибдена в 100-см слое светло-каштановых почв составляет 0,8 мг/кг, а средний запас – 8,7 кг/га. Среднее количество элемента в горизонте А составляет 0,5 мг/кг при довольно большом колебании – от 0,2 до 1,9 мг/кг, при коэффициенте варьирования 57%. Микроэлементы в растениях распределяются отлично от почв, существует избирательное концентрирование элементов в зависимости от вида, рода, семейства. Содержание фтора в растениях находится в пределах 1,00-4,40 мг/кг, в среднем 2,47 мг/кг. Наибольшей концентрационной способностью отличаются растения семейств губоцветные, бобовые, сложноцветные, меньшее концентрирование у растений семейств злаковые, молочайные. Содержание молибдена в растениях находится в пределах 0,5-3,51 мг/кг, в среднем 1,72 мг/кг. Содержание бора в растениях находится в пределах 12,4-34,6 мг/кг, в среднем 18,98 мг/кг. Наибольшей концентрационной способностью отличаются растения семейства Крестоцветные, Сложноцветные, Гречишные.

Ключевые слова: микроэлементы, аридные территории, ландшафты, коэффициенты концентрирования.

Abstract. The relevance of these studies is to study the patterns of distribution and behavior of elements in the south of the Ergeninsky upland and in the valley of the Vostochny Manych River and includes the main components: rock-soil-water-vegetation. It is established that there are extreme territories and soils where boron, molybdenum, and fluorine are present due to a lack or excess of trace elements. The content of basic nutrients in the soils of the studied areas is distributed unevenly: hydrolyzable nitrogen is in the range of 1-5 mg/100 g of soil, which indicates its low level, especially for arable soils, low level of mobile phosphorus is 16-39 mg/100 g of soil, the average level of potassium, which repeats the distribution of phosphorus, but its concentration is a level higher, low availability of humus in the range of 3.2-4.5%. The soil-forming rocks of the studied territory of Kalmykia are depleted of all elements except boron and molybdenum. The maximum content of trace elements is found in heavy loams and clays, the minimum in sandy loams and sands. An important place among the studied chemical elements is occupied by the trace element boron, because the soils, in a large part of the studied territory, contain a high amount of this trace element, and therefore, we can talk about the existence of a region of boron salinity in the south of the Ergeninsky upland. The average reserves of gross boron in a 100-cm layer of various subtypes of chestnut soils per 1 ha are approximately the same and amount to 475-567 kg/ha. The average content of molybdenum in a 100-cm layer of light chestnut soils is 0.8 mg / kg, and the average reserve is 8.7 kg/ha. The average amount of the element in horizon A is 0.5 mg / kg with a fairly large variation – from 0.2 to 1.9 mg/kg, with a variation coefficient of 57%. Trace elements in plants are distributed differently from the soil, there is a selective concentration of elements depending on the species, genus, family. The fluorine content in plants is in the range of 1.00-4.40 mg/kg, with an average of 2.47 mg/kg. The highest concentration capacity is distinguished by plants of the families Labiaceae, legumes, and compositaceae, while plants of the families grasses and Euphorbiaceae have a lower concentration. The content of molybdenum in plants is in the range of 0.5-3.51 mg/kg, with an average of 1.72 mg/kg. The boron content in plants is in the range of 12.4-34.6 mg/kg, with an average of 18.98 mg/kg. The plants of the Cruciferous, Compound, and Buckwheat families have the highest concentration capacity.

Key words: trace elements, arid territories, landscapes, concentration coefficients.

Введение. Изучение закономерностей биогенной миграции микроэлементов является основой прогнозирования устойчивости аридных экосистем и позволяет свести к минимуму негативные последствия при использовании природных ресурсов. Оптимизация биоценозов достигается, прежде всего, сбалансированным поступлением химических элементов в живые организмы. Это может быть реализовано путем изучения ландшафтов на биогеохимическом уровне, проведением исследований сходства и различий в соединении микроэлементов между компонентами ландшафтов с учетом пространственного распределения путем картографирования и районирования [2, 3, 4, 6, 8, 10]. Степень изученности микроэлементов в составе почв в РФ различна. В литературе мало сведений о микроэлементном составе почв Калмыкии [7, 8]. На биогеохимических картах России территория Калмыкии указана одним ландшафтом и является мало изученным регионом.

Территория Калмыкии относится к двум почвенным зонам: каштановой и бурой [8]. Почвами бурого типа занята большая часть Прикаспийской низменности, а почвами каштанового типа – её северо-западная часть, Ергени и надпойменные террасы Маныча. Почвообразующими породами Ергенинской возвышенности являются лессовидные суглинистые отложения. Зональными почвами южной части возвышенности являются светло-каштановые и бурые почвы в комплексе с солонцами, приуроченными к нижним частям склонов балок и плоским участкам межбалочных водоразделов. Особенно много солонцов на восточном склоне Ергеней. На плоских пространствах водоразделов распространены темно-каштановые почвы, которые приурочены также к балкам, потяжинам. Преобладающими являются светло-каштановые почвы и солонцы. В северной части Ергеней, в отличие от южной, преобладают каштановые и светло-каштановые суглинистые зональные почвы.

Территория Ергенинской возвышенности расположена в зоне сухих степей, отличительной чертой которых является комплексность почвенного и растительного покрова, проявляющаяся в мозаичном сочетании степных и пустынных участков. Такое сочетание обусловлено обилием солонцов и солончаков, распространенных в республике повсеместно. На Ергенях с комплексными светло-каштановыми почвами преобладают следующие растительные ассоциации: ковыльная (ковыль Лессинга, ковыль сарептский, типчак), типчаково-ромашниковая (типчак, ромашник, тонконог, ковыль, полынь белая), типчаково-прутняковая (типчак, прутняк, ковыль, полынь австрийская). Вся эта растительность встречается обычно в комплексе с белополынной, белополынно-прутняковой, камфоросмовой ассоциациями на солонцах. По днищам балок на солончаковых почвах встречаются: полынь солончаковая, верблюжья колючка, лебеда бородавчатая. Ергенинская возвышенная провинция со светло-каштановыми почвами отличается развитием линейной эрозии и осолонцеванием. При распределении сельскохозяйственных угодий в сухостепной зоне основное внимание уделяется пашне (34% всех угодий), остальное идет под сенокосы и пастбища.

Цель данной работы – изучить биогеохимическую ситуацию в Целинном и Приютненском районах Республики Калмыкия, относящихся к сухостепным территориям, выявить особенности биогенной миграции микроэлементов – молибдена, бора и фтора в основных компонентах экосистемы: почва – растения – вода.

Объектами исследования являлись почвы, растения и вода поселков Целинного и Приютненского районов. Всего отобрано более 50 проб почв, 12 видов растений и 10 проб воды.

Методы исследования. Для общей характеристики почв проводился анализ водной вытяжки в соотношении почва : вода – 1:5. Определение микроэлементов проводили в вытяжке из почв 1н. раствора HCl в соотношении почва – раствор 1:4. Определение железа, молибдена, азота и фосфора проводили фотометрическим методом [5]. Определение азота нитратов, хлоридов и фторидов проводили потенциометрически с ион-селективными электродами в вытяжке, приготовленной в соотношении растение: раствор алюмокалиевых квасцов 1:10. Определение калия и натрия проводили на пламенном фотометре из солянокислых вытяжек. Биохимическими методиками определяли клетчатку, аскорбиновую кислоту, углеводы, сырой протеин. Анализы воды проводили по общепринятым методикам и ГОСТ. Класс подземных вод оценивался по О.А. Алекину [1965]. Были рассчитаны коэффициенты концентрирования (К_к) – отношение среднего содержания микроэлементов в почвенных породах к их кларку в литосфере по А.П. Виноградову [1] и коэффициенты биологического поглощения (К_б) – как отношение содержания соединения в растении к содержанию его в почве [3, 4, 6, 9].

Результаты и обсуждение. Результаты анализа водной вытяжки из почв показали, что все исследуемые почвы относятся к засоленным, особенно сильное засоление выражено в верхних горизонтах, а также в почвах населенных пунктов. На пашнях содержание солей меньше вследствие применения средств мелиорации и механической обработки почв. При засолении больше 1% среди солей чаще отмечается присутствие сульфатов натрия и магния. Активный вынос солей происходит при сильных ветрах, которые, приводя к ветровой эрозии почв. Почвообразующие породы изучаемой территории Калмыкии обеднены всеми микроэлементами за исключением бора и молибдена. Рассчитанные коэффициенты концентрирования микроэлементов свидетельствуют о рассеянии фтора в породах относительно литосферы (К_кF=0,3). Относительно литосферы в покровных лессовидных суглинках и глинах концентрируются молибден и бор (К_к 1,4-7,0). Микроэлементный состав почвообразующих пород зависит от их гранулометрического состава и миграционной способности микроэлементов. Максимальное содержание микроэлементов найдено в тяжелых суглинках и глинах, минимальное в супесях и песках. В темно-каштановых почвах наблюдается пониженное по сравнению с Кларком [2, 4, 8] содержание молибдена, несколько повышенное – бора, количество фтора близко к Кларку.

Важное место среди изучаемых химических элементов занимает микроэлемент бор, потому что почвы, в значительной части исследованной территории, содержат высокое количество этого микроэлемента, в связи с чем, можно говорить о существовании области борного засоления на юге Ергенинской возвышенности [8]. Аккумуляция бора приурочена преимущественно к бессточным депрессиям степной зоны, прежде всего к понижениям с озерами Лысый Лиман, русла Восточного Маныча, древним ложбинам стока. На фоне общего борного засоления благодаря господствующему на территории бугристому рельефу происходит местное (между соседними буграми и межбугровыми понижениями) перераспределение лабильных соединений микроэлемента. Если в почвах бугров подвижная часть бора не превышает 1% от валового соединения, то в почвах межбугровых понижений на ее долю приходится от 5 до 10%. Повышенное количество подвижного бора, по-видимому, вызвано активной микробиологической деятельностью и связанным в ней освобождением микроэлемента из органического вещества, а также обусловлено восходящим движением почвенно-грунтовых вод, несущих бор [2, 3].

В светло-каштановых почвах сухо-степной территории Калмыкии не более 3% бора переходит в водную вытяжку и становится доступным растениям. С глубиной подвижность бора снижается до 0,5%, т.е. практически весь бор находится в кристаллической решетке минералов или прочно связан гидратами полуторных окислов. Коэффициент концентрации бора К_к 2-3. Средний уровень содержания бора в светло-каштановых почвах Ергенинской возвышенности одинаковый, что соответствует выводам Н.Г. Зырина, З.В. Пацукевич (1964) о том, что уровень бора в почвах определяется не их типом, а характером материнских пород. Средние запасы валового бора в 100-сантиметровом слое различных подтипов каштановых почв из расчета на 1 га примерно одинаковы и составляют 475-567 кг/га. Отсутствие дифференциации количества бора по профилю почв и очень небольшие различия в его содержании между подтипами каштановых почв Т. Палавеев (1958) объясняет трудным высвобождением бора из минералов и сильно выраженной миграцией освободившегося бора.

Необходимо отметить, что концентрация подвижного бора в почвах не является величиной постоянной. Исследования P. Cornillon [1967] показали, что количество растворимого бора в почве варьирует в зависимости от выпадающих осадков. Меньшие количества бора отвечают засушливым периодам, в то время как более высокое количество - периоду дождей. При небольшом количестве воды в раствор переходят легкорастворимые соединения бора, при значительном - более стабильные соединения.

Содержание молибдена в почвообразующих породах Республики оказалось близко к кларку в литосфере (по Перельману, 1975). В.В. Добровольский (1983) относит молибден к группе микроэлементов, малохарактерных для четвертичных отложений Русской равнины и обнаруживающихся очень редко. Однако в четвертичных отложениях Прикаспийской низменности этот элемент широко распространен. Относительно литосферы молибден имеет коэффициент концентрирования больше 1 (К_к 1,4), т.е. в изучаемых породах происходит небольшое накопление молибдена. Количество подвижного молибдена варьирует до 0,01 мг/кг в песках до 0,13 мг/кг в глинах, но в отношении подстилающих пород наблюдается четкая зависимость содержания Мо от их гранулометрического состава. Как показали исследования, лессовидные суглинки содержат в среднем 1,5 мг/кг валового молибдена. Светло-каштановые почвы, развивающиеся на них, также небогаты молибденом. Различные подтипы этих почв существенно не различаются по запасам элемента. Среднее содержание молибдена в 100-сантиметровом слое светло-каштановых почв составляет 0,8 мг/кг, а средний запас – 8,7 кг/га. Среднее количество элемента в горизонте А составляет 0,5 мг/кг при довольно большом колебании – от 0,2 до 1,9 мг/кг, при коэффициенте варьирования 57%.

Примерно одинаковая обеспеченность молибденом в светло-каштановых почвах независимо от сельскохозяйственного использования расположенных под пастбищем и пашней. Влияние степной растительности сказывается лишь на содержании молибдена в верхнем горизонте и характере его распределения по профилю. Как правило, поверхностные горизонты почв под разнотравьем заметно богаче молибденом, чем эти же горизонты аналогичных почв пашни. Такая же закономерность установлена для почв Башкирии А.С. Шаровой, М.П. Чмелевым, Г.Е. Радцевой [1963]. В светло-каштановых почвах пашни количество подвижного молибдена коррелирует с валовым уровнем (r_1,2 0,69). Относительная подвижность молибдена в верхнем горизонте не превышает 9%, с глубиной она ещё уменьшается. Большая растворимость молибдена в верхних горизонтах связана с подвижностью железа, т.к. железо выщелачивается из верхнего слоя, и, вследствие этого, молибден становится более доступным. Довольно постоянное содержание молибдена в большинстве почв и равномерное распределение его по профилю H.А. Протасова [6] объясняет тем, что молибден является сравнительно слабым водным мигрантом, слабо накопляемым элементом. В литературе имеются сведения о различном поведении молибдена в почвах. А.С. Шарова, М.П. Чмелев, Г.Е. Радцева (1963) указывают на явную биогенную аккумуляцию молибдена. В.Б. Ильин [3] отмечает обеднение горизонта А молибденом в результате выноса растениями и максимальное содержание его в породе.

Несомненно, то, что некоторая часть почвенного молибдена отчуждается с урожаем растений. Вследствие слабой миграции молибдена потери его в процессе вымывания очень небольшие. Поэтому аккумуляция молибдена в светлокаштановых почвах преобладает над его выносом. Величины коэффициентов аккумуляции Мо в каштановых почвах находятся в пределах 1,0-1,6, при среднем – 1,2. В почвенном профиле содержание Mo и В с глубиной уменьшается, а для F увеличивается. Такое распределение характерно для элементов с гидрогенной аккумуляцией (фтор) и элементов, связанных с органическим веществом почвы (бор, молибден).

Микроэлементы в растениях распределяются отлично от почв, существует избирательное концентрирование элементов в зависимости от вида, рода, семейства. Низкие концентрации фтора (1,0-1,5 мг/кг) отмечены у зопника, ковыля, молочая, высокие концентрации в пределах 3,2-4,4 мг/кг. Наибольшей концентрационной способностью отличаются растения семейств губоцветные, бобовые, сложноцветные, меньшее концентрирование у растений семейств злаковые, молочайные. Низкие концентрации молибдена (0,5-0,76 мг/кг) отмечены для неравноцветника, зопника, горца, высокие концентрации (2,5-3,1 мг/кг) отмечены у вязеля, полыни, бурачка. Наибольшей концентрационной способностью отличаются растения семейства Крестоцветные, Сложноцветные, Гречишные. Низкие концентрации бора (12,4-13,2 мг/кг) отмечены для неравноцветника, ковыля, грудницы, высокие концентрации (25,7-31,6 мг/кг) отмечены у бурачка, полыни, горца. Наибольшей концентрационной способностью отличаются растения семейства Крестоцветные, Сложноцветные, Гречишные. Если растения делить на три группы: злаки, бобовые, разнотравье, то изучаемые растения образуют следующий ряд: разнотравье > бобовые > злаки (таблица 1).

Таблица 1. Микроэлементы в растениях

На территориях районов много колодцев, они вырыты на глубину 5-7 м, вода пригодна как питьевая, а также для полива. Естественные водоемы представлены прудами и озерами, которые используются для выращивания водоплавающей птицы и для водопоя скота. Сведения по содержанию и поведению микроэлементов в поверхностных водах Республики Калмыкия весьма ограничены [8]. Это связано с методическими трудностями определения весьма низких соединений большинства исследованных микроэлементов в открытых водоемах, вторая трудность в том, что водоемы часто пересыхают и уровни элементов резко изменяются, не отражая истинного содержания.

Выявленные различия в соединении микроэлементов связаны с ландшафтно-геологическими особенностями водосборных территорий. Влияние таких факторов, как климат, рельеф, литология пород, проявляется в направленности и результативности основных процессов формирования состава вод, количественным выражением которых являются величина минерализации, органические вещества, содержания макроэлементов и микроэлементов.

Выводы

1. Содержание питательных веществ на изучаемой территории характеризует её как слабо обеспеченную азотом и фосфором, средне обеспеченную калием. Распределение элементов зависит от вида хозяйственной деятельности на этой территории. В солонцах, используемых в аграрной практике, соотношение элементов может быть аналогичным с основными типами почв, но снижение плодородия происходит даже при небольших уменьшениях уровней питательных веществ и усилении засоления. Установлены эталонные соединения (валовое соединение и формы нахождения) основных микроэлементов в главнейших почвенных типах и разновидностях почв применительно к условиям рельефа.
2.  Изучен микроэлементный состав естественной и культурной растительности, особенно необходимый в связи с их систематическим положением и экологией. Микроэлементы в растениях распределяются отлично от почв, существует избирательное концентрирование элементов в зависимости от вида, рода, семейства. Содержание фтора в растениях находится в пределах 1,00-4,40 мг/кг, в среднем 2,47 мг/кг. Содержание молибдена в растениях находится в пределах 0,5-3,51 мг/кг, в среднем 1,72 мг/кг. Содержание бора в растениях находится в пределах 12,4-34,6 мг/кг, в среднем 18,98 мг/кг. Наибольшей концентрационной способностью отличаются растения семейства Крестоцветные, Сложноцветные, Гречишные. Если растения делить на три группы: злаки, бобовые, разнотравье, то изучаемые растения образуют концентрационный ряд: разнотравье > бобовые > злаки.
3. Проведенные исследования показывают, что в поверхностных водах Республики Калмыкия наиболее часто обнаруживают ионы железа и бора (100%), менее распространены фтор (20-50%), молибден (8-17%). Фтор содержится во всех исследованных водах в широком диапазоне концентраций. В высокоминерализованных водах концентрация фтора довольно высокая, достигает 0,8-2,3 мг/л, при норме 1,5 мг/л. Проб воды, содержащих такое большое количество фтора (большого для питьевой воды) только пять. Более низкие концентрации фтора в остальных источниках вплоть до минимального уровня 0,01 мг/л, при котором у людей развивается кариес. Содержание фтора в водных источниках колеблется от 0,04 до 8,48 мг/л.

Список литературы

1.  Виноградов А.П. Основные закономерности в распределении микроэлементов между растениями и средой // Микроэлементы в жизни растений и животных. М.: Наука. 1985. С. 7-20.

2. Добровольский В.В. Ландшафтно-геохимичекие критерии оценки загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами // Почвоведение. 1999. № 5. С. 639-664.

3. Ильин В.Б. О надежности гигиенических нормативов содержания тяжелых металлов в почве // Агрохимия. 1992. № 12. С. 78-83.

4.  Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир. 1989. 375 с.

5.  Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства / ЦИНАО. М., 1989. 54 с.

6.  Протасова Н.А., Щербаков А.П., Копаева М.Т. Редкие и рассеянные элементы в почвах Центрального Черноземья. Воронеж: Изд-во Ворон. ун-та, 1992. 168 с.

7. Сангаджиева Л.Х. Миграционная активность микроэлементов в растениях Прикаспийской низменности // Научная мысль Кавказа. Сев.-Кавк. НЦ ВШ, 2005, спецвыпуск. С. 79-83.

8. Сангаджиева Л.Х., Даваева Ц.Д., Цомбуева Б.В., Сангаджиева О.С. Тяжелые металлы в компонентах ландшафтов Калмыкии // Юг России: экология, развитие. 2010. № 1. С. 156-161.

9.  Bowen H.J.M. Environmental chemistry of the elements. N.Y.: Academic press. 1979. 333 p.

10. Golov V.I., Bakhova SM. Content of sulphur and microelements in plowable volcanic soils in Kamchatka // Bridges of the Sri. between North America and the Russian Far East. 45th Arctic Sci. Conf.: Abs. Vladivostok: Dalnauka. 1994. Book 50. P. 143-144.