Микроэлементы в черноземах и серых лесных почвах Центрального Черноземья тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.27, доктор биологических наук Протасова, Нина Алексеевна

• Протасова, Нина Алексеевна
• доктор биологических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор биологических наук Протасова, Нина Алексеевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ И ФУНКЦИИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ.

1.1. Развитие учения о микроэлементах и их роли в почвообразовании.

1.2. Функции микроэлементов в живых организмах.

1.3. Влияние микроэлементного состава почв на распространение заболеваний человека и животных.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микроэлементы в черноземах и серых лесных почвах Центрального Черноземья»

Актуальность темы. Идея основателя биогеохимии В.И. Вернадского о единстве жизни и геохимической среды, о связи химического состава живого вещества и земной коры лежит в основе изучения химического состава почв. Элементный состав почв является важнейшим показателем химического состояния почв, их свойств и генезиса. Накопление большого фактического материала о содержании химических элементов в почвах и других компонентах ландшафта требует проведения биогеохимического районирования отдельных территорий на региональном и локальном уровне. Прежде всего, такие работы проводят там, где наблюдается- резкий дефицит или избыток элементов, и поэтому проявляются эндемические заболевания растений, животных и человека. В черноземной зоне, которая считается благополучной в отношении эндемических заболеваний благодаря оптимальному содержанию и соотношению в почвах большинства элементов, биогеохимические исследования крайне редки. В почвах черноземной зоны довольно хорошо изучено распределение типоморфных элементов и некоторых эссенциальных (жизненно необходимых) микроэлементов - марганца, меди, цинка, кобальта, молибдена, бора, йода. В меньшей степени исследовано распространение редких элементов, биологическая роль которых еще не вполне ясна, - титана, хрома, ванадия, никеля, галлия, бария, циркония, стронция, бериллия.

Агрохимическая концепция оптимизации комплексного минерального питания растений предполагает сбалансированное, экологически безопасное и целенаправленное регулирование питания растений макро- и микроэлементами в системах агробиоценоза. По данным агрохимического мониторинга, почвы Центрального Черноземья имеют дефицит подвижных соединений Zn, Mo и Со, что является одним из существенных факторов, сдерживающих рост продуктивности земледелия (Аристархов, 2000). Для определения потребности почв в микроудобрениях необходимы карты биогеохимического районирования.

Система биогеохимического районирования, разработанная В.В. Ковальским (1974, 1978) с позиций геохимической экологии, рассматривает в единстве геохимическую среду, физиологические и биохимические свойства организмов. Как указывает В.В. Ковальский, необходимым методом биогеохимического районирования служит биогеохимическое картирование, основанное на количественной характеристике звеньев биогеохимической пищевой цепи. Для осуществления такого районирования нужна информация о концентрации макро- и микроэлементов во всех компонентах ландшафта: в породах, почвах, водах, растительности. Учитывается также реакция живых организмов на местную геохимическую обстановку. Так как пищевая цепь начинается с почвы, то прежде всего необходимо располагать достоверной информацией об элементном химическом составе, имея в виду, что именно химический состав почв является показателем общей биогеохимической обстановки местности. Поэтому изучение закономерностей распределения и поведения химических элементов в почвах приобретает особую актуальность. Статистические данные органов здравоохранения Воронежской, Тамбовской и других областей свидетельствуют о широком распространении в данном регионе онкологических, сердечно-сосудистых, желудочно-кишечных и других заболеваний, связанных с неблагополучной экологической ситуацией. Как отмечает В.В. Добровольский (1999), в связи с прогрессирующим ростом производства совершается небывалое в истории Земли искусственное рассеяние некоторых элементов, особенно тяжелых металлов [94]. В связи с этим возникает необходимость функционирования почвенно-геохимического мониторинга на основе современных геоинформационных систем (ГИС) различного уровня, составной частью которых должна быть надежная база данных о содержании химических элементов в зональных почвах отдельных регионов. Информация о распространении элементов в почвах необходима и для оценки их экологического состояния с помощью определенных критериев. Поиск и выбор таких критериев - одна из важнейших задач подобных исследований.

Цель и задачи исследований. Основная цель работы заключалась в выявлении закономерностей формирования микроэлементного состава зональных почв Центрального Черноземья - черноземов и серых лесных почв - и в изучении особенностей пространственной и внутрипрофильной дифференциации содержания ряда микроэлементов в этих почвах под влиянием важнейших почвенных процессов. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи, каждая из которых имеет самостоятельное научное значение:

1. Создать единую информационную базу данных о содержании химических элементов (макро- и микроэлементов) в зональных почвах региона.

2. Выявить закономерности в распределении эссенциальных микроэлементов -марганца, меди, цинка, кобальта, молибдена, бора и йода, а также ряда редких элементов, играющих малоизученную роль в почвообразовании, - титана, хрома, ванадия, никеля, галлия, бериллия, бария, циркония, стронция - в основных почвообразующих породах региона в зависимости от их генезиса, гранулометрического и химико-минералогического состава.

3. Установить основные закономерности во внутрипрофильном и пространственном распределении микроэлементов и их подвижных соединений в зависимости от экологических условий, типа почвообразования, гранулометрического, минералогического, химического состава и свойств зональных почв.

4. Выяснить роль важнейших почвенных процессов - гумусообразования, гумусонакопления, биогенной аккумуляции, выщелачивания, лессиважа, иллювиирования и оглинивания в формировании микроэлементного состава зональных почв, его внутрипрофильной и пространственной дифференциации.

5.Составить карты-схемы валового содержания микроэлементов в черноземах и серых лесных почвах региона и выявить закономерности в их географическом распространении.

6. Дать количественную оценку обеспеченности черноземов и серых лесных почв подвижными соединениями марганца, меди, цинка, кобальта, молибдена, бора, йода.

7. Исследовать микроэлементы в системе почва-растение и определить влияние микроэлементного состава зональных почв на накопление микроэлементов в культурных растениях.

8. На основе пространственной неоднородности элементного состава зональных почв провести почвенно-геохимическое районирование Центрального Черноземья и установить в них «фоновое» содержание микроэлементов.

Научная новизна. Впервые по материалам многолетних комплексных разносторонних исследований микроэлементного состава лесостепных и степных почв Центрального Черноземья создана единая информационная база данных о содержании в почвенном профиле эссенциальных и редких элементов (микроэлементов) - Mn, Cr, V, Си, Ni, Zn, Со, Ti, Zr, Be, Ga, Ba, Sr, Mo, В, I и подвижных соединений Mn, Си, Zn, Co, Mo, В, I. На основании статистической обработки и теоретического обобщения полученной информации разработана концепция формирования, пространственной и внутрипрофильной дифференциации микроэлементного состава черноземов и серых лесных почв региона при совместном участии важнейших почвенных процессов - гумусообразования, гумусонакопления, биогенной аккумуляции, выщелачивания, иллювиирования, оглинивания и лессиважа. Установлены закономерности в распределении микроэлементов в основных почвообразующих породах региона в зависимости от их генетических особенностей, гранулометрического и химико-минералогического состава.

Выявлены особенности формирования, внутрипрофильной и пространственной дифференциации микроэлементного состава черноземов и серых лесных почв в зависимости от экологических условий и типа почвообразования. Показано, что формирование микроэлементного состава серых лесных почв протекает по элювиально-иллювиальному типу, а формирование микроэлементного состава черноземов обусловлено процессами гумусообразования, гумусонакопления, биогенной аккумуляции, выщелачивания, иллювиирования, лессиважа и оглинивания, интенсивность которых изменяется на подтиповом уровне. На основе сравнительно-географического и сравнительно-аналитического методов исследований составлены карты-схемы валового содержания микроэлементов в зональных почвах, которые позволили установить закономерности в географическом распространении микроэлементов и дать оценку пространственного варьирования их содержания. Сопряженное изучение химического состава основных компонентов (породы, почвы, природные воды, растения) лесостепного и степного ландшафтов Центрального Черноземья показало, что уровень содержания, подвижность, аккумуляция и миграция микроэлементов тесно связаны со свойствами почвообразующих пород и почв, особенностями геоморфологии, растительного покрова, климата и гидрологического режима, с характером сельскохозяйственного использования. Установлено, что направление и глубина почвообразовательного процесса, разнообразие природных условий и свойств почв обусловливают отчетливую пространственную дифференциацию в распределении микроэлементов в зональных почвах Центрального Черноземья. Существенная разница в уровне содержания большинства микроэлементов выявлена для серых лесных почв и черноземов.

Впервые дана количественная оценка содержания микроэлементов в основных сельскохозяйственных культурах Центрального Черноземья, и выявлено влияние генетического и экологического факторов на накопление микроэлементов в растениях. Выявленная пространственная неоднородность микроэлементного состава зональных почв позволила провести почвенно-геохимическое районирование территории Центрального Черноземья и рассчитать «фоновое» содержание микроэлементов в зональных почвах каждого почвенно-геохимического района. Показано, что в определенных геохимических условиях черноземы, которые принято считать эталонами, могут испытывать недостаток или избыток тех или иных элементов или их подвижных соединений, что через трофическую цепь оказывает определенное влияние на распространение различных заболеваний населения на территории региона. Теоретически обоснована концепция йодной недостаточности в почвах Центрального Черноземья, следствием которой является широкое распространение заболеваний щитовидной железы среди населения региона.

Защищаемые положения. На защиту выносится концепция формирования, внутрипрофильной и пространственной дифференциации микроэлементного состава черноземов и серых лесных почв Центрального Черноземья, которая базируется на следующих положениях:

1. Формирование микроэлементного состава черноземов и серых лесных почв отражает генетические особености каждого почвенного подтипа и обусловлено направлением и глубиной почвообразовательного процесса, их гранулометрическим и химико-минералогическим составом, свойствами и экологическими условиями почвообразования. В формировании микроэлементного состава зональных почв существенную роль играют важнейшие почвенные процессы - гумусообразование, гумусонакопление, биогенная аккумуляция, выщелачивание, иллювиирование, оглинивание и лессиваж.

2. Для каждого подтипа почв, приуроченных к лесостепным и степным ландшафтам, характерно вполне определенное «фоновое» содержание микроэлементов, которое служит критерием при оценке экологического состояния почв антропогенных ландшафтов, в частности, при оценке степени их техногенного загрязнения.

3. Пространственная дифференциация содержания микроэлементов в зональных почвах региона обусловлена их генетическими особенностями, различными биоклиматическими и литолого-геоморфологическими условиями и является основой почвенно-геохимического районирования территории Центрального Черноземья.

4. Зональные почвы региона имеют различный уровень обеспеченности растений подвижными соединениями микроэлементов, оказывающий определенное влияние на микроэлементный состав культурных растений. Недостаточное или избыточное содержание микроэлементов в них приводит к несбалансированному поступлению элементов в трофическую цепь и организм человека и является причиной ряда заболеваний населения, подтвержденного статистическими данными органов здравоохранения.

Практическая значимость результатов исследований. Информационная компьютерная база данных о содержании микроэлементов в зональных почвах Центрального Черноземья служит для создания геоинформационных систем, разработки принципов и проведения почвенно-геохимического мониторинга, для оценки степени техногенного загрязнения почв региона, их экологического состояния на региональном и локальном уровнях, для изучения распространения нозологических и инфекционных заболеваний населения региона. Результаты исследований используются при выполнении научных и проектно-изыскательских работ в областных агрохимических центрах, в областных и городских комитетах природных ресурсов и охраны окружающей среды и в органах Госсанэпиднадзора для прогнозирования заболеваний населения.

Фактический материал и основные теоретические положения диссертации используются в курсах лекций: «Почвоведение», «Растениеводство», «Химия почв», «Методика опыта и агрохимических исследований», «Экология», «Биогеохимия», читаемых на биолого-почвенном факультете Воронежского госуниверситета, а также в Воронежском агроуниверситете и в Курской государственной сельскохозяйственной академии.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации были доложены на VI - VIII съездах Всесоюзного общества почвоведов (Тбилиси, 1981; Ташкент, 1985; Новосибирск, 1989), Всесоюзном совещании «Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах» (Обнинск, 1987), II съезде общества почвоведов (Санкт-Петербург, 1996), III съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000), Всесоюзных научных конференциях «Микроэлементы в биологии и их применение в медицине и сельском хозяйстве» (Ленинград, 1970; Рига, 1975; Ивано-Франковск, 1978; Кишинев, 1981; Чебоксары, 1986; Самарканд, 1990), ежегодных научных конференциях Воронежского госуниверситета, представлены на Международных конференциях «Biogeochemistry of the Trace Elements in the landscapes» (Тайбей, 1992; Аделаида, 1993; Париж, 1995; Беркли, 1997; Вена, 1999).

Общее число публикаций - 80. Из них 12 - в зарубежной и 40 - в центральной печати, монография «Редкие и рассеянные элементы в почвах Центрального Черноземья», (Воронеж, В ГУ, 1992, 168 е.), научно-популярное издание, учебное пособие «Почвоведение с основами растениеводства» (Воронеж, ВГУ, 1996, 236 с.) с грифом Министерства образования РФ и 5 учебно-методических пособий.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность сотрудникам кафедры почвоведения и агрохимии Воронежского госуниверситета, оказавшим большую помощь в выполнении данной работы; сотрудникам факультета почвоведения Московского госуниверситета - за предоставленную возможность выполнения аналитических работ в лабораториях факультета; доктору с.-х. наук В.И. Куракову - за помощь в сборе и обработке данных полевого стационарного опыта в Рамони; профессорам биолого-почвенного факультета ВГУ В.Г. Артюхову, Т.А. Ковалевой, Л.Н. Хицовой и Д.И. Щеглову - за ценные консультации и советы.

Заключение диссертации по теме «Почвоведение», Протасова, Нина Алексеевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разнообразие экологических условий почвообразования на территории Центрального Черноземья обусловливает закономерное географическое распределение почв в пространстве. Неоднородность почвенного покрова региона отражает пространственную изменчивость геоморфологических, геологических, гидрологических и климатических условий, а также растительного покрова. Особенности рельефа, почвообразующих пород, почвенного и растительного покрова, гидрологического и гидрохимичекого режима территории создают своеобразные геохимические условия, формирующие определенный химический состав главных компонентов лесостепных и степных ландшафтов.

При выветривании горных пород, разрушении первичных и образовании вторичных минералов происходит рассеяние микроэлементов и их перераспределение между отдельными компонентами минерального субстрата. Формирование микроэлементного состава почвообразующих пород региона - основного источника поступления микроэлементов в почвы - обусловлено их гранулометрическим и минералогическим составом, а также особенностями генезиса коренных пород Воронежской ан-теклизы. В процессе выветривания коренных пород количественный состав большинства микроэлементов существенно изменяется. По сравнению с коренными породами региона почвообразующие породы обогащены В и Zr , находящимися в трудновывет-риваемых минералах, и обеднены Си, Со, Sr, которые легко выносятся из коры выветривания. Пониженное содержание многих микроэлементов в породах по сравнению с литосферой подтверждает идею В.В. Добровольского об их выщелачивании и удалении из продуктов выветривания, что является общей геохимической особенностью покровных отложений внетропических территорий. Этому способствует и высокое содержание в них кварца.

Влияние гранулометрического состава на микроэлементный состав почвообразующих пород региона четко проявляется при сопоставлении средних значений содержания микроэлементов в тяжелых суглинках и глинах, легких и средних суглинках, супесях и песках. Уровень содержания микроэлементов в суглинках и глинах в несколько раз выше, чем в супесях и песках. Разница в количестве микроэлементов в суглинках и глинах весьма существенна для Cr, V, Ni, Си, Zn, Sr, I и мало существенна для Mn, Со, Ti, Zr, Ga, Be, Ва, В, Мо, что обусловлено определенной приуроченностью микроэлементов к различным гранулометрическим фракциям. Влияние минералогического состава пород на их микроэлементный состав определяется количеством кварца, глинистых и акцессорных минералов. Кварц, почти лишенный микроэлементов, выполняет в известной мере роль «регулятора» уровня последних (по выражению В.Б. Ильина, 1973). А так как супеси и пески содержат в два раза больше кварца, чем суглинки и глины, они крайне бедны микроэлементами, кроме Zr. Глинистые минералы, благодаря своей большой адсорбирующей способности, поглощают мигрирующие ионы микроэлементов и повышают уровень их концентрации в породах. Энергичными концентраторами многих микроэлементов являются акцессорные минералы (тяжелая фракция), которые содержат микроэлементов в несколько раз больше, чем глинистые частицы. И хотя доля акцессорных минералов в почвообразующих породах региона не столь велика, определенную роль в формировании микроэлементного состава почвообразующих пород они, несомненi но, играют. На фоне всеобщего рассеяния микроэлементов в почвообразующих породах хорошо выражено концентрирование биофильных элементов - В, I, Мо и инертного Zr, который находится в составе устойчивых к выветриванию первичных минералов и обладает низкой миграционной способностью. Заметное накопление в породах биофильных микроэлементов связано с влиянием почвенных процессов на формирование их микроэлементного состава, который можно представить в виде ряда:

Ti>Ba>Mn>Zr>Sr>Cr, V>Zn>B>Ni>Ga>Cu>Co>I, Мо>Ве Почвообразующие породы региона содержат очень мало подвижных соединений микроэлементов. В растворимое состояние переходит не более 23% Си, 14% Со, 10% Мп и Мо, 1-6% В, Zn и I, что обусловлено концентрированием микроэлементов в минералах, устойчивых к выветриванию, а также карбонатностью, ограничивающей их подвижность. Количество подвижных соединений микроэлементов в почвообразующих породах образует ряд: Mn>Cu>Co>B>Zn >Мо>1. Микроэлементный состав природных вод и донных отложений рек региона отражает микроэлементное состояние почвообразующих пород и сформированных на них почв. Уровень содержания микроэлементов в природных водах определяется прежде всего концентрацией подвижных соединений микроэлементов в почвообразующих породах и почвах и оценивается как низкий, особенно в отношении I и Мо.

Между микроэлементным составом почвообразующих пород Центрального Черноземья и формирующихся на них почв существует тождество, и сохраняются корреляционные связи, которые могут быть нарушены в процессе почвообразования, в результате чего микроэлементный состав почв региона представляется в виде ряда: Ti>Mn>Ba>Zr>Sr>V>Cr>Zn>B>Ni>Ga>Cu>Co>I>Mo>Be

Качественный микроэлементный состав почвообразующих пород региона и сформированных на них почв почти одинаков, кроме Мп, который интенсивно накапливается в ходе почвообразования. В процессе почвообразования происходит перемещение микроэлементов в почвенной толще, и формируется вполне определенный микроэлементный профиль зональных почв региона - серых лесных и черноземов. Для каждого микроэлемента характерны специфические особенности профильного распределения в зависимости от типа почвообразования. Наиболее четкая дифференциация по генетическим горизонтам зональных почв свойственна тяжелым металлам (Cr, V, Mn, Zn), Sr, I, подвижным соединениям Mn, Zn, Си, Со, В, I, Мо, в меньшей степени она выражена для микроэлементов, пассивных в почвенных процессах, - Be, Ва. Результирующий эффект перераспределения микроэлементов зависит от направления и степени развития почвообразовательного процесса и геохимических особенностей поведения микроэлементов в ландшафте. Для многих микроэлементов характерно биогенное накопление в гумусовом горизонте, наиболее интенсивно проявляющееся в черноземах. Элементами-лидерами биогенной аккумуляции в почвах лесостепных и степных ландшафтов являются I и Мп, в меньшей степени она присуща тяжелым металлам, Мо, В и микроэлементам-гидролизатам. Основными факторами, определяющими уровень содержания и характер распределения микроэлементов в почвенном профиле, являются минералогический (количество акцессорных и глинистых минералов) и гранулометрический (содержание илистой и пылеватых фракций) состав почв и почвообразующих пород, их химические и физико-химические свойства (карбонатность, рН, гидролитическая кислотность, сумма обменных катионов), органическое вещество, а также экологические условия почвообразования.

В зональных почвах Центрального Черноземья наблюдается отчетливая пространственная дифференциация в содержании и распределении большинства микроэлементов. Существенная разница в количественном уровне микроэлементов установлена для изученных почвенных типов - серых лесных почв и черноземов. На уровне подтипов данных почв эта разница менее заметна и присуща не всем микроэлементам. Для каждого из них характерны свои особенности географического распространения в зональных почвах. В направлении с северо-запада на юго-восток в соответствии со сменой почвенных зон изменяется микроэлементный состав почв региона за счет повышения в них уровня содержания Сг, V, Ni, Zn, Си, Be, Sr, В, I, Мо. Концентрации микроэлементов и их подвижных соединений в пахотном горизонте всех подтипов серых лесных и черноземных почв варьируют в больших пределах в зависимости от гумусированности, гранулометрического состава, емкости поглощения, величины рН. Важнейшей особенностью пространственного распределения большинства микроэлементов в черноземах является его приближение к нормальному, что характерно для элементов, находящихся в состоянии рассеяния, и обусловлено концентрированием микроэлементов как в акцессорных, так и в глинистых минералах. Исключение составляют I и Sr, распределение которых не соответствует нормальному в силу их высокой подвижности и способности к гидрогенной миграции в ландшафте.

Подвижные соединения микроэлементов содержатся в зональных почвах региона в малых количествах, вследствие чего практически все почвы имеют дефицит подвижных I, Мо, Zn. Содержание и распределение подвижных соединений микроэлементов в почвах зависит от их валового количества, гранулометрического состава, количества гумуса, емкости поглощения, величины рН, а также от характера использования. Вследствие действия этих факторов концентрациям подвижной фракции микроэлементов в почвенном покрове региона присуща значительная вариабельность, достигающая 85%. Распределение подвижных соединений микроэлементов в профиле серых лесных и черноземных почв часто повторяет особенности распределения в нем валового содержания микроэлементов и во многом определяется направлением и глубиной почвообразовательного процесса.

Каждый почвенный тип и подтип имеют свои характерные особенности микро-элементого состава, обусловленные различной ролью, которую играют почвенные процессы в его формировании. Под влиянием почвообразования в черноземах региона относительно почвообразующих пород накапливаются S, Р, Ni, Mn, Си, Со, Zn, Ti, Be, Ва, В, I, Мо; в серых лесных почвах - Si, S, Р, Mn, Zr, В, I.

У серых лесных почв выявлена отчетливая дифференциация микроэлементного состава по генетическим горизонтам, обусловленная тем, что его формирование протекает по элювиально-иллювиальному типу в условиях периодически промывного водного режима. Усиление биогенной аккумуляции, накопление гумуса фульватно-гуматного типа, развитие оглинивания в иллювиальном горизонте, ослабление процессов лессиважа и миграции металлорганических соединений способствуют формированию микроэлементного профиля темно-серых лесных почв со слабо дифференцированным по генетическим горизонтам микроэлементным составом. Эти почвы имеют не ярко выраженный элювиально-иллювиальный тип распределения В, I, Мо с биогенной аккумуляцией в гор. А валовых Mn, V, Zn, Cu, Ti, В, I и подвижных соединений Mn, Со, Cu, Zn, В, Мо. Усиление выщелачивания, процессов миграции металлорганических соединений и оглинивания, ослабление гумусонакопления, при котором образуется гуматно-фульватный тип гумуса, приводят к формированию микроэлементного профиля светло-серых лесных почв с резко дифференцированным микроэлементным составом по генетическим горизонтам. Для этих почв характерны хорошо выраженное распределение тяжелых металлов, Ti, Ва, В, I, Мо по элювиально-иллювиальному типу и биогенная аккумуляция валовых Mn, Мо, I и подвижных соединений Мп, Си, В, Мо. Интенсивность основных почвенных процессов, определяющих формирование микроэлементного состава серых лесных почв региона, изменяется на уровне подтипа. В подтипе серых лесных почв проявляются распределение V, Zn, Cu, Со, Ti, I, Мо по элювиально-иллювиальному типу и биогенная аккумуляция валовых Mn, Zn, Си, Ва, I, Мо и подвижных соединений Мп, Со, В, Мо. Во всех подтипах серых лесных почв происходят интенсивное выщелачивание Sr из верхней части профиля и его накопление на карбонатном барьере, в роли которого выступает карбонатная почвообразующая порода. Степень дифференцированности содержания микроэлементов по генетическим горизонтам почвенного профиля уменьшается от светло-серых лесных к темно-серым лесным почвам, вследствие ослабления процессов выщелачивания, иллювиирования, лессиважа и усиления гумусонакопления. В этом же направлении усиливается биогенная аккумуляция многих микроэлементов.

Формирование микроэлементного состава серых лесных почв региона сопровождается интенсивным концентрированием в них относительно литосферы I, В, в меньшей степени - Zr, Мо и рассеянием остальных микроэлементов. В связи с неодинаковой интенсивностью протекающих в различных подтипах серых лесных почв процессов гумусонакопления, выщелачивания, лессиважа, иллювиирования, наиболее сильное рассеяние микроэлементов относительно литосферы наблюдается в светлосерых лесных почвах.

Формирование микроэлементного состава черноземов протекает в условиях непромывного типа водного режима, в которых процессы выщелачивания микроэлементов ослабляются, а их биогенная аккумуляция вследствие более интенсивного гу-мусообразования и гумусонакопления под влиянием травянистой растительности усиливается. В процессе черноземообразования происходит перераспределение большинства микроэлементов в почвенной толще, которое приводит к формированию определенного количественного микроэлементного состава, отражающего генетические особенности каждого почвенного подтипа. В результате почвообразования в гумусовом горизонте всех подтипов черноземов региона относительно почвообразующих пород в различной степени накапливаются Mn, Си, Ti, Zr, Ва, В, I, Мо; подвижные соединения Mn, Zn, Си, Со, В, I, Мо, а также макроэлементы - S, Р; выносится Sr и осаждается в карбонатных горизонтах. Наиболее интенсивно происходит аккумуляция микроэлементов в типичных, обыкновенных и южных черноземах, а также в лугово-черноземных почвах, в которых в процессы биогенной аккумуляции вовлекаются еще и V, Ni, Zn, Со, Be. Соотношение процессов выщелачивания и аккумуляции микроэлементов в ряду лесостепные черноземы - степные черноземы изменяется, что приводит к формированию микроэлементного состава, имеющего различия на уровне подтипа. В частности, для оподзоленных черноземов характерно совмещение процесса интенсивного гумусонакопления и слабой элювиально-иллювиальной дифференциации почвенного профиля, вследствие чего происходят вынос из гумусового горизонта Cr, V, Ni, Sr, их накопление в иллювиальном горизонте и биогенная аккумуляция небольшого числа микроэлементов. Такое поведение микроэлементов связано с тем, что верхняя часть профиля оподзоленных черноземов, так же, как и темно-серых лесных почв, обеднена монтмориллонитом и оксидами Fe и А1, а гумусовый горизонт имеет признаки элювиирования. Так как выщелоченные и оподзоленные черноземы региона сформировались на однородных в генетическом отношении породах и в одинаковых условиях увлажнения, их микроэлементный режим имеет заметное сходство. В профиле выщелоченных черноземов также улавливаются черты элювиально-иллювиальной дифференциации в содержании Cr, V, Sr, связанной с небольшим накоплением ила и полуторных оксидов Fe и А1 в иллювиальном горизонте за счет лессиважа и оглинивания. В гумусовом горизонте аккумулируется также небольшое число микроэлементов.

Формирование микроэлементного состава типичных черноземов протекает в оптимальных условиях гумусообразования и гумусонакопления, при слабом проявлении процессов разрушения минеральной части под влиянием почвообразования, вследствие чего внутрипрофильное перераспределение микроэлементов слабо выражено. В результате интенсивного гумусонакопления в гор. А типичных черноземов энергично аккумулируются I, Мп, Си, Мо и макроэлементы S, Р; в меньшей степени - все остальные микроэлементы, кроме Sr, накапливающегося в карбонатных горизонтах, в которых обнаруживается кальцит в составе песчаной фракции. Кроме того, повышенное содержание Sr в нижней части профиля черноземов связано и с его сорбцией монтмориллонитом.

Почвообразование в степной зоне региона протекает в условиях более сухого климата и в отсутствие сквозного промачивания, часто в щелочной среде, поэтому в обыкновенных и, особенно в южных черноземах, происходит более интенсивное накопление в гумусовом горизонте Ni, Zn, Со, Ti, Be, Мо, подвижных соединений В, Со и в карбонатных горизонтах - Sr. Основную роль в формировании микроэлементного состава лугово-черноземных почв играют процессы образования и накопления гумуса, миграция карбонатов и их аккумуляция, в меньшей мере - гидрогенная миграция некоторых микроэлементов. Достоверно установленная корреляционная зависимость различной силы между содержанием ряда макро- и микроэлементов свидетельствует

0 сопряженности изменения их концентраций в почвенном профиле черноземов. N, Р,

1 и ряд тяжелых металлов - элементов сильного биологического захвата - интенсивно аккумулируются в органическом веществе и прочно закрепляются в почвенном профиле. Большая часть тяжелых металлов связана с фульвокислотами, меньшая - с гу-миновыми кислотами. Накопление подвижных соединений биогенных микроэлементов в гумусовом горизонте, скорее всего, обусловлено активной деятельностью микроорганизмов. Сильная обратная корреляция свойственна таким парам элементов как C-Mg, C-Sr, N-Mg, N-Sr, P-Sr, которая обусловлена тем, что в процессе трансформации органического вещества Mg и Sr быстро теряют с ним связь, в то время как тяжелые металлы, Р, N, I ее длительно сохраняют. Непрочносвязанные с гумусом, легкоподвижные Mg и Sr выносятся из гумусового и накапливаются в карбонатном горизонте. Карбонатный горизонт служит геохимическим барьером и для других активных водных мигрантов - Са, I, В, Со, Ni. Эффект накопления биогенных элементов в тонкодисперсных фракциях гумусового горизонта серых лесных почв и черноземов проявляется только в отношении Zn. Накопление Мп, Си, Со в илистой фракции иллювиальных горизонтов этих почв является косвенным подтверждением роли лесси-важа в формировании микроэлементного состава зональных почв. Накопление микроэлементов в верхних горизонтах исследуемых почв или их вымывание и накопление в более глубоких горизонтах определяется характером и положением в почвенном профиле геохимических барьеров, индикаторами которых являются гумусовый и карбонатный горизонты. Они и определяют геохимические закономерности профильного распределения микроэлементов. Иллювиальные горизонты выступают в роли адсорбционных барьеров для большинства микроэлементов. По сравнению с литосферой в исследуемых почвах происходит концентрирование Si, S, Ti, Zr, Ga, В, I, Mo и рассеяние Al, Fe, Са, Mg, К, Na, P, Ni, Mn, Cu, Co, Zn, Be, Ba, Sr. По сравнению с кларком почв по Виноградову, отмечается обедненность зональых почв Al, Fe, Сг, V, Ti, Be, Sr, Мо (черноземы и серые лесные почвы); Мп (черноземы); Mg, Са, Р, Zn, Си, В а, I (серые лесные почвы); обогащение К, S, Со, Zr, В (черноземы и серые лесные почвы); Mg, Р, Zn, Си (черноземы); Si, Na (серые лесные почвы).

Таким образом, в формировании микроэлементного состава серых лесных почв региона основную роль играют процессы биогенной аккумуляции, лессиважа, выщелачивания, оглинивания,иллювиирования. Формирование микроэлементного состава черноземов и лугово-черноземных почв определяется интенсивностью процессов гу-мусонакопления и гумусообразования, биогенной аккумуляции, миграции карбонатов и в меньшей мере - выщелачиванием, лессиважем, оглиниванием и гидрогенной миграцией.

Микроэлементный состав культурных растений Центрального Черноземья отличается чрезвычайным разнообразием, обусловленным биологическими особенностями самих растений и большой вариабельностью содержания подвижных форм микроэлементов в пахотных почвах. В течение вегетации микроэлементный состав культурных растений заметно изменяется в зависимости от экологических условий их возделывания. Большое разнообразие характерно и для величин КБП, которое отображает в определенной мере различия в отношениях отдельных систематических групп растений к тому или иному микроэлементу, а также свидетельствует о неоднородности геохимической обстановки на данной территории. В культурных растениях региона сохраняется соотношение концентраций большинства микроэлементов, свойственное почвообразующим породам и почвам, что указывает на тесную связь химического состава растений с геохимическими особенностями среды. Наряду с этим отмечен неодинаковый уровень концентрации микроэлементов растениями разных родов, что обусловлено различиями в их физиологических потребностях и поэтому может рассматриваться как систематический признак. На уровень накопления микроэлементов в растениях значительное влияние оказывает экологическая обстановка. Установлено изменение содержания микроэлементов в культурных растениях в зависимости от обеспеченности почв их подвижными формами. Оценивая содержание микроэлементов в культурных растениях Центрального Черноземья с учетом пороговых концентраций В.В. Ковальского (1975), можно констатировать, что наиболее «благополучными» среди биологически активных микроэлементов являются Мп, Си, В, реже Zn. Большинство сельскохозяйственных культур имеют дефицит I и Со, что связано с низким содержанием их подвижных форм в почвах. В некоторых культурах обнаружены следовые количества Ti, Сг, V, Ni, Ва, Sr-микроэлементов, которые выполняют определенные физиологические функции в организме человека и животных.

Многолетние исследования микроэлементного режима в системе почва-растение показали, что при длительном применении высоких доз удобрений загрязнения почв и сельскохозяйственной продукции тяжелыми металлами или другими элементами не происходит. На фоне высоких доз минеральных удобрений усиливается вынос микроэлементов с урожаем сельскохозяйственных культур, который совершенно не компенсируется их поступлением с макроудобрениями. В связи с этим весьма целесообразным будет применение в регионе прежде всего йодных, молибденовых, цинковых, кобальтовых и других микроудобрений, способствующих улучшению качества продукции за счет более сбалансированного микроэлементного состава. Данные микроэлементного состава продукции растениеводства могут быть использованы при составлении оптимальных рационов питания человека и животных. При оценке степени загрязнения растительности тяжелыми металлами и другими микроэлементами содержание микроэлементов в изученных растениях можно использовать как «фоновое».

Методической основой проведения почвенно-геохимического районирования территории Центрального Черноземья - первого этапа биогеохимичесекого районирования - являются теоретические положения о биогеохимическом районировании и системе таксонов, разработанные А.П. Виноградовым, В.В. Ковальским, В.Б. Ильиным, О.В. Макеевым и другими учеными. В проведенных нами исследованиях использован главный принцип любого районирования - принцип географического сравнения. Информационным обеспечением почвенно-геохимического районирования территории региона служит компьютерная база данных по содержанию 24 химических элементов (Сг, V, Ni, Mn, Zn, Си, Со, Ti, Zr, Be, Ва, Sr, В, I, Мо, Si, Al, Fe, Са, Mg, К, Na, P, S) в почвообразующих породах и зональных почвах лесостепных и степных ландшафтов региона. Почвенно-геохимическое районирование выполнено на основе карт-схем валового содержания микроэлементов в исследуемых почвах, материалов физико-географического и почвенного районирования, схематической почвенной карты ЦентральноЧерноземных областей, а также схем почвенно-геохимического районирования Окско-Донской равнины и Среднерусской возвышенности. В качестве главного критерия при выделении почвенно-геохимических округов и районов выбран уровень валового содержания макро- и микроэлементов в преобладающих на данной территории почвах в сравнении с их средним содержанием (кларком) по Виноградову, которое условно принимается за оптимальное (нормальное), с учетом обеспеченности почв подвижными соединениями макро- и микроэлементов.

В соответствии с системой таксонов, разработанной А.П. Виноградовым, В.В. Ковальским, В.Б. Ильиным, О.В. Макеевым и другими учеными, на территории Центрального Черноземья выделено два почвенно-геохимических округа, границы которых в основном совпадают с границами геоморфологических структур. Внутри округов выделено девять почвенно-геохимических районов, отражающих пространственную дифференциацию в распределении макро- и микроэлементов в зональных почвах различных типов местности. Для каждого почвенно-геохимического района установлено «фоновое» валовое содержание 24 элементов, которое предлагается использовать как критерий при оценке техногенно загрязненных почв. Оценка химического состояния загрязненных почв производится путем сравнения с «нормой» - содержанием элементов в почвах «фоновых» территорий, каковыми являются целинные участки заповедных территорий. ная, Ямская, Хрипунская степь, Шипов лес), не испытавших антропогенного воздействия. Компьютерная база данных о содержании ассоциации макро- и микроэлементов в главных компонентах ландшафта является основой современных ГИС.

Установлена связь между распространением нозологических и некоторых инфекционных заболеваний населения региона и микроэлементным составом почв, которая может быть использована прежде всего в профилактике этих заболеваний, а также для составления наиболее оптимального в микроэлементном отношении рациона питания населения. Все серые лесные почвы и черноземы легко- и среднесуг-линистого гранулометрического состава имеют дефицит валового йода. Крайне мало содержится в почвах региона подвижного, доступного растениям йода, что приводит к его недостаточному поступлению в трофическую цепь. Вследствие этого в регионе широкое распространение получили заболевания щитовидной железы у населения, которые в ряде районов имеют характер зобной эндемии. Причиной йодной недостаточности является и большой вынос йода из почв с урожаем, некомпенсированный его поступлением с минеральными удобрениями. В связи с этим весьма актуальной становится проблема оптимизации йодного режима почв с помощью микроудобрений.

База аналитических данных о содержании микроэлементов и их подвижных соединений в породах, почвах и растениях региона, схемы районирования и распределения отдельных микроэлементов в зональных почвах могут найти широкое применение в биологии, медицине, экологии, сельском хозяйстве, создании ГИС различного уровня, функционировании мониторинга земель, а также в системе здравоохранения при организации профилактических противозобных мероприятий в регионе.