Вальков В.Ф., Денисова Т.В. Плодородие почв и сельскохозяйственные растения: экологические аспекты

Подождите немного. Документ загружается.

десятые и сотые доли процента. Еще меньше микроэлементов в

земной коре.

Поскольку минеральная часть почвы в значительной степени

обусловлена химическим составом горных пород литосферы, име-

ется сходство почвы с литосферой по относительному содержанию

отдельных химических элементов. Как в литосфере, так и в почве

на первом месте стоит кислород, на втором – кремний, затем алю-

миний, железо и т. д.

По объему атомов кислород занимает 92 %, а следующее за-

нимает кремний, алюминий и железо – всего около 3 % объема

литосферы. Трудно себе представить литосферу Земли и ее почвы,

как кислородное вместилище, в котором рассеяны все остальные

элементы: кислород – 92 %, остальные элементы – всего 8 % от

объема вещества. В связи с этим информация о составе почв и кор

выветривания в объемных процентах не практикуется, а только в

весовых процентах массы.

Экологически важна классификация химических элементов,

содержащихся в сухой массе растений. Такая классификация да-

ется А. X. Шеудженом (2003). Автор предлагает все химические

элементы распределить на 6 групп.

Макроэлементы – содержатся в количестве, превышающем

0,1 %. Они разделяются на органогенные элементы – Н, О, С, N, и

зольные – Р, К, Si.

Мезоэлементы – содержатся в количестве 0,1–0,01 %. Сюда от-

носятся S, Са, Мg, Fе, Ма, Аl, С1.

Микроэлементы – количество в массе растений составляет от

0,01 до 0,0001 %. Это В, Мn, Со, Мо, Zn, V, I, Sе.

Ультрамикроэлементы – содержатся в крайне незначительных

количествах: менее 0,0001 %. Их много: Ва, Ве, Вr, Вi, W, Jd, Ja,

Hf, Аu, Сd, Li, Аs, Ni, Sn, Us, Нg, Ru, Рb, Аg, Тi, F, Сr, Се, Zr и др.

Эти элементы биологически необходимы, но интервал экологиче-

ски оптимальных концентраций очень узок и легко переходит гра-

ницу положительного действия, а также представляет опасность

для здоровья человека и животных.

Инертные элементы – образуют главную подгруппу 8-й груп-

пы периодической системы Д. И. Менделеева: Не, Ne, Аr, Кr, Хе,

Rn. Возможность поступления этих элементов в растения доказа-

на, однако функции этих элементов не выявлены.

Техногенные элементы (Ас, Аm, Вn, Сm, Nр, Рu, Ро, Fr и др.)

не обнаружены в земной коре. Поступление их в растения связано

с техногенезом.

Азот. В растениях азота содержится 1–3 % от массы сухого ве-

щества. Этот элемент входит в состав любой аминокислоты, а сле-

довательно, в состав всех белков, а также он находится и в нуклеи-

новых кислотах, носителях наследственных свойств. Обязателен

азот как компонент хлорофилла и ферментов.

При недостатке азота в почвах сокращается период вегетатив-

ного роста, снижается фотосинтетическая активность, уменьша-

ется масса корней. При дефиците азота листья имеют бледно-зе-

леную окраску, уменьшается выработка аденозинтрифосфорной

кислоты (АТФ). Все это приводит к снижению продуктивности

растений.

Избыточное количество азота в почве также негативно.

Увеличивается вегетативная масса, снижаются урожай и его каче-

ство. Особенно неблагоприятен избыток азота для винограда, таба-

ка, гречихи, чая.

Фосфор. Фосфор содержится в растениях 0,2–1,3 % от массы

сухого вещества. В растениях фосфор находится в органических и

минеральных соединениях. К важнейшим органическим соединени-

ям относятся нуклеиновые кислоты, нуклеотиды, сахарофосфаты,

фосфолипиды, фосфопротеиды, фитин и др. Недостаток фосфора

приводит к замедлению роста, значительному уменьшению листо-

вой поверхности, нарушению деятельности корней, замедлению фаз

развития и снижению продуктивности, фосфорная недостаточность

у растений особенно проявляется при холодной дождливой погоде.

Избыток соединений фосфора в естественных ландшафтах и аг-

роценозах, как правило, не фиксируется.

Калий. Калия в растениях содержится в пределах 0,5–3,5 %.

В растительных клетках калий присутствует преимущественно в

ионной форме. Соредоточен в основном в молодых растущих тканях.

Калий играет регуляторную роль, изменяя конформации белковых

молекул в мембране клеток и белков-ферментов. Присутствие ка-

лия в значительной степени определяет коллоидно-биохимические

свойства цитоплазмы, поддерживает гидратацию коллоидов, водо-

удерживающую способность цитоплазмы. Он участвует в процессах

фотосинтеза, поддерживает тургорное состояние клеток, снижает

транспирацию и многое другое.

Калий обычно присутствует в почвах в большом количестве, од-

нако получение высоких урожаев невозможно без дополнительного

внесения этого элемента. При дефиците калия в доступной фор-

ме снижается функционирование камбия, нарушаются процессы

деления клеток, уменьшается толщина клеточной стенки эпидер-

миса, подавляется фотосинтез. Листья начинают желтеть с краев,

затем края и верхушки приобретают бурую окраску.

Особенно большое количество калия содержится в бобовых рас-

тениях, картофеле, капусте и других овощах.

Избыток калия в почвах, как правило, не фиксируется.

Кремний. Это необходимый элемент для всех растений, особен-

но зерновых, где он является главным зольным элементом. Среднее

содержание в растениях изменяется от 0,2 до 20 % сухой массы.

Особенно его много в клеточных стенках. Кремний, как и фосфор,

является основой биосинтеза, может входить в состав нуклеотидов.

Кремний повышает устойчивость растений к полеганию, частично

нейтрализует токсическое действие тяжелых металлов, повышает

доступность фосфатов почвы и удобрений, увеличивает стойкость

растений к болезням и повреждению насекомыми.

В почвах проблем с недостатком или избытком кремния не на-

блюдается.

Сера. Содержание серы в растениях 0,005–1 %. Сера является

составной частью трех важнейших аминокислот – цистина, цис-

теина и метионина, которые могут находиться в растениях как

в составе белков, так и в свободном виде. Протеин хлоропластов

и цитоплазмы богат серой. Сера, входя в состав ряда ферментов,

принимает участие в аэробной фазе дыхания и синтезе жиров.

Недостаточное снабжение растений серой снижает фотосинтез,

подавляет рост растений. Внешние признаки голодания напомина-

ют недостаток азота: посветление, желтизна, красноватый оттенок.

Стебли растений становятся тонкими и хрупкими. Однако в поч-

вах представить недостаток серы для растений весьма трудно, как

и избыток серы как элемента питания.

Кальций. Содержание кальция в растениях составляет

0,05–

0,5 %. Он входит в состав ядра, митохондрий, рибосом, пла-

стид, цитоплазмы, мембран и других органоидов и включений

клетки. Кальций является составной частью пектиновых веществ,

играет важную роль в фотосинтезе, усиливает обмен веществ. Он

регулирует кислотно-щелочное равновесие в клетке, принимает

участие в поддержании структуры хромосом, является связую-

щим звеном между ДНК и белком.

При недостатке кальция в первую очередь страдают молодые

ткани и корневая система растений. Недостаток приводит к набу-

ханию пектиновых веществ, что вызывает ослизнение клеточных

стенок и разрушение клеток. Корни, листья и отдельные участки

стебля загнивают и отмирают.

Магний. Содержится в растениях в количестве 0,05–0,5 %.

Он присутствует в молекулах хлорофилла, где его около 3 % от

массы. Магний является структурообразователем, входя в состав

органелл клеток, мембран, клеточных стенок, большого числа

ферментов.

При недостатке магния увеличивается активность пероксида-

зы, снижается содержание аскорбиновой кислоты и инвертного

сахара. Окраска листьев становится светлой, даже желтой, при

этом жилки остаются зелеными. Пожелтевшая часть растений

отмирает.

Больше всего солей магния содержится в бобах, горохе, сое, овсе,

ржи. Как правило, избытка магния в почвах не наблюдается.

Железо. Содержание железа составляет в растениях 0,01–

0,08 %.

Железо входит в состав феофетина, цитохромов – переносчиков

электронов, участвующих в процессе дыхания. Участие железа в

процессах обмена веществ в растительном организме чрезвычайно

обширно и отражается на активности и характере метаболизма по-

требляемых растениями элементов питания.

Недостаток железа тормозит два важнейших процесса энер-

гообмена растений – фотосинтез и дыхание. У растений развива

ется глубокий хлороз, при остром дефиците листья могут стать

совершенно белыми. Избыток железа в почвах не проявляется,

хотя закислые его формы считаются ядовитыми.

Натрий. Среднее содержание около 0,2 % при диапазоне

0,008 – 2,5 %. Натрий играет важную роль в поддержании ки

слотно-щелочного равновесия, регулирует осмотическое давле-

ние и влияет на содержание воды в тканях.

Хлор. Среднее содержание 0,01 %. Хлор положительно влия-

ет на обводненность тканей и набухаемость протоплазмы клеток.

Перемещаясь вместе с калием, он поддерживает в клетках элек-

тронейтральность, воздействует на активность ферментов, участ-

вующих в процессе фотосинтеза. Избыток хлора проявляется в

засоленных почвах. К хлорофобным растениям относятся земля-

ника, картофель, крыжовник, помидоры, смородина, фасоль.

Алюминий. Поразительно мало в растениях алюминия, срав-

нивая содержание с литосферными и почвенными кларками,

всего – 0,02 %. При недостатке алюминия у отдельных растений

проявляется хлороз, например у чая. Высокие концентрации

алюминия в питательной среде токсичны для всех растений без

исключения, но это в почвах практически не наблюдается.

3.3.азотно-фосфорно-калийноепитаниерастений

какфакторплодородияпочв

Главнейшие элементы почвенного питания растений – азот,

фосфор и калий.

Основная масса азота почв сосредоточена в органическом ве-

ществе. Количество азота находится в прямой зависимости от

содержания в почве органического вещества, прежде всего гуму-

са. В большинстве почв (кроме каштановых, сероземов и красно-

земов) этот элемент составляет 1/12–1/20 гумуса (5 %). На долю

минеральных форм приходится 1–5 % общего содержания азота.

Накопление азота в почве обусловлено биологической аккумуля-

цией его из атмосферы. В почвообразующих породах азота очень

мало. Азот доступен растениям главным образом в форме аммо-

ния и нитратов, которые образуются при разложении азотистых

органических веществ. Ион NН

легко поглощается почвой с час-

тичным переходом в необменное (фиксированное) состояние. Ион

NО

–

не поглощается почвой ни химически, ни физико-химически,

находится преимущественно в почвенном растворе и легко исполь-

зуется растениями.

Поглощаясь в больших количествах растениями, фосфор акку-

мулируется в верхних горизонтах почвы. Фосфор в почвах содер-

жится в органических и минеральных соединениях. Органические

представлены фитином, нуклеиновыми кислотами, нуклеопротеи-

дами, фосфатидами, сахарофосфатами и др., минеральные – соля-

ми кальция, магния, железа и алюминия ортофосфорной кислоты.

Также фосфор в почве входит в состав апатита, фосфорита и ви-

вианита. Апатит встречается во многих магматических породах и

составляет 95 % соединений фосфора в земной коре.

Присутствует калий чаще в глинистых минералах тонкодис-

персных фракций, особенно в гидрослюдах, а также в составе та-

ких первичных минералов крупной фракции, как биотит, муско-

вит, калиевые полевые шпаты. Подобные формы калия является

практически недоступными для питания растений и представля-

ют своего рода резерв. Растения усваивают наиболее подвижные

формы (калий почвенного раствора, обменный). Калий относится

к числу органогенов, необходимых для развития растений; в ряде

случаев калий может быть в дефиците.

Автор главы: С. А. Тищенко.

В процессе оценки почвенного плодородия обычно определяют

общее (валовое) количество элемента, его доступные (обменные)

формы для растений, а также иногда и водо-растворимые формы.

Вынос с урожаем химических элементов обычно называют их

отчуждением. На основе этого строятся расчеты их необходимо-

го восполнения минеральными и органическими удобрениями для

поддержания эффективного плодородия почвы. Например, при

урожае озимой пшеницы 40 ц/га и соломы 60 ц/га вынос азота с

урожаем составит 130 кг. С навозом в поле должно возвратиться

примерно 15 кг азота, с семенами – 5. Следовательно, из 130 кг

вынесенного азота возвратится только 20, или 15,4 %. Оставшееся

количество (110 кг) необходимо пополнить внесением органических

и минеральных удобрений.

Выявлены географические закономерности выноса сельско-

хозяйственными культурами азота, фосфора и калия (табл. 3.6).

Содержание азота в кукурузе на серых и темно-серых лесных поч-

вах по сравнению со светло-каштановыми изменяется на 10 %, по

фосфору – на 43 % и по калию – на 71 %. По овсу при переходе от

дерново-подзолистых к черноземным почвам вынос азота возрастал

на 40 %, фосфора – на 11 % и калия – на 98 %.

Таблица 3.6

зависимостьвыносаазота,фосфораикалияоттипапочвы

(Справочникагрохимика,1976)

Культура Почва Урожай, ц/га

Вынос (на 1 т основного урожая

с побочной продукцией), кг

N Р

Картофель

Дерново-подзолистая 129 4,0 1,6 5,8

Чернозем типичный 210 6,7 2,0 5,9

Овес

Дерново-подзолистая 14,9 22,2 10,9 20,0

Чернозем выщелоченный 19,2 31,0 11,7 39,6

Озимая рожь

Чернозем выщелоченный 24,6 31,4 12,7 26,0

Дерново-подзолистая 18,2 26,9 9,7 23,7

Кукуруза

Серая и темно-серая 49,4 28,0 8,3 19,4

Светло-каштановая 45,7 31,0 11,9 34,0

Оценка почв по содержанию азота, фосфора и калия. Среднее

содержание в почвах важнейших химических элементов показано

в табл. 3.7.

Таблица 3.7

Среднеесодержаниеазота,фосфораикалиявпочвахвслое0–25см

Элементы % мг/100 г т/га

Азот

валовой (N)

гидролизуемый (NO

)

0,10 – 0,25

–

4,1 – 5,0

2,8 – 6,9

0,103 – 0,125 (NO

)

0,031 – 0,038 (N)

Фосфор

валовой (Р

)

подвижный (Р

)

0,08 – 0,15

–

1,5 – 20,0

2,2 – 4,1

0,038 – 0,50

Калий

валовой (К

О)

обменный (К

О)

0,10 – 0,20

–

3,0 – 25,0

2,8 – 5,5

0,075 – 0,63

В агрохимии и почвоведении разработаны методы и придержки

оценки агрохимической обеспеченности почв, которые позволяют

планировать, нормировать и регламентировать применение удобре-

ний с учетом их оптимальности для растений, почв, окружающей

среды и здоровья человека и животных.

При оценке плодородия почв по агрохимической обеспеченно-

сти обычно используют 3 уровня сведений.

Потенциальное плодородие, оценка которого идет по валовым

запасам и сопоставима с изменением содержания органического

вещества. Этот уровень обычно приурочивается к смене систем

земледелия и антропогенным изменениям почвенного покрова. В

СССР этому уровню приурочивались почвенные обследования, про-

водимые каждые 20 лет.

Эффективное плодородие, которое определяется по содержа-

нию доступного резерва питательных элементов для растений.

Сюда относятся все формы химических элементов, поглощаемых

растениями, включая и водорастворимые. Этот уровень является

рабочим инструментом по разработке мероприятий по внесению

минеральных и органических удобрений, и его повторные исследо-

вания проводятся каждые 5 лет.

Сезонное плодородие объединяет те формы химических эле-

ментов, которые отличаются высокой динамичностью в зависимо-

сти от интенсивности микробиологических и погодных условий и

меняются в течение сезона. Обычно это водорастворимые формы

азота, фосфора и калия. Этот уровень используют при научных

исследованиях для определения сезонной динамики питательных

элементов. Оценка потенциального плодородия разных почв и ее

горизонтов по уровню обеспеченности приведена в табл. 3.8.

Таблица 3.8

оценкапотенциальногоплодородияпочвазотом,фосфоромикалием,%

Уровень содержания N Р

Очень высокий Более 0,35 Более 0,20 Более 3,0

Высокий 0,25 – 0,35 0,15–0,20 2,0–3,0

Средний

0,10 – 0,25 0,08–0,15

1,0–2,0

Низкий 0,05 – 0,10 0,02–0,08 0,7–1,0

Очень низкий Менее 0,05 Менее 0,02 Менее 0,7

Эффективное плодородие почв по содержанию доступных расте-

ниям соединений азота, фосфора и калия показаны в табл. 3.9–3.11.

Таблица 3.9

оценкасодержаниявпочвахгидролизуемогоазота(Nо

),мгна100гпочвы

Группа почв Уровень содержания

Метод

Тюрина-Кононовой Корнфилда

I Очень низкое 0–3,0 0–10

II Низкое 3,1–4,0 10,1–15,0

III Среднее 4,1–5,0 15,1–20,0

IV Повышенное 5,1–7,0 Более 20

V Высокое 7,1–10 –

VI Очень высокое Более 10 –

Таблица 3.10

оценкасодержаниявпочвахподвижногофосфора(Р

),мгна100гпочвы

Группа почв Уровень содержания

Метод

Кирсанова Чирикова Мачигина

I Очень низкое 0–2,5 0–2,0 0–1,0

II Низкое 2,5–5,0 2,1–5,0 1,1–1,5

III Среднее 5,1–10,0 5,1–10,0 1,6–3,0

IV Повышенное 10,1–15,0 10,1–15,0 3,1–4,5

V Высокое 15,1–25,0 15,1–20,0 4,6–6,0

VI Очень высокое Более 25 Более 20 Более 6

Требования отдельных растений по содержанию в почвах эле-

ментов питания не одинакова, что важно учитывать при внесении

удобрений (табл. 3.12).

Таблица 3.11

оценкасодержаниявпочвахобменногокалия(К

о),мгна100гпочвы

Группа почв Уровень содержания

Метод

Масловой Чирикова Мачигина Кирсанова

I Очень низкое 0–5,0 0–3,0 0,–5,0 0–4,0

II Низкое 5,1–10,0 3,1–5,0 5,1–10,0 4,1–8,0

III Среднее 10,1–15,0 5,1–8,0 10,1–15,0 8,1–12,0

IV Повышенное 51,1–20,0 8,1–12,0 15,1–20,0 12,1–17,0

Высокое 20,1–30,0 12,1–18,0 20,1–30,0 17,1–25,0

VI Очень высокое Более 30 Более 18 Более 30 Более 25

Таблица 3.12

отзывчивостьнекоторыхрастенийнаобеспеченностьпочвазотом,

фосфоромикалием

Уровень потребности Культура

Требуют повышенного уровня

обеспеченности азотом

Огурцы, капуста белокочанная и цветная, картофель,

кукуруза, черная смородина, яблоня, слива

Требуют повышенного уровня

обеспеченности фосфором

Брюква, томаты, яблоня, крыжовник

Необходим высокий уровень

обеспеченности почв калием

Картофель, подсолнечник, чай, лен, свекла, фасоль

Не столь требовательны к уровню

обеспеченности N, P, K

Сорго, просо, многолетние травы, гречиха, виноград

Отличаются способностью усваивать

труднодоступные фосфаты

Люпин, гречиха, горчица, горох, конопля

Повышенный уровень азотного питания

негативен для качества урожая

Виноград, гречиха, табак, чай

Растения имеют свойство накапливать в своих организмах нитра-

ты, содержащиеся в почве в избыточных количествах. Урожайность

растений растет, но продукция оказывается отравленной. Особенно ин-

тенсивно аккумулируют нитраты овощные культуры, арбузы и дыни.

В России приняты ПДК нитратов растительного происхожде-

ния. Допустимая суточная доза (ДСД) для человека составляет

5 мг на 1 кг веса (табл. 3.13).

Сами нитраты не оказывают токсичного действия, но под влия-

нием некоторых кишечных бактерий они могут переходить в нитри-

ты, обладающие значительной токсичностью. Нитриты, соединяясь

с гемоглобином крови, переводят его в метгемоглобин, который пре-

пятствует переносу кислорода по кровеносной системе. Развивается

заболевание – метгемоглобинемия, особенно опасное для детей.

Симптомы заболевания: полуобморочное состояние, рвота, диарея.

Таблица 3.13

Допустимыеуровнисодержаниянитратоввпродуктахрастительного

происхождения,мг/кг.

Продукт

Грунт

открытый защищенный

Картофель 250 –

Капуста белокочанная: ранняя

поздняя

900

500

–

Томаты 150 300

Огурцы 150 400

Свекла столовая 1400 –

Лук: репчатый

перо

600

–

800

Листовые овощи (салат, шпинат, ща-

вель, капуста салатная, петрушка, сель-

дерей, кинза, укроп)

2000 3000

Дыни 90 –

Арбузы 60 –

Перец сладкий 200 400

Кабачки 400 400

Виноград столовых сортов 60 –

Яблоки 60 –

Груши 60 –

Продукты детского питания

(овощи консервированные)

50 –

Морковь: ранняя

поздняя

400

250

–

3.4.Тяжелыеметаллывпочвах

К тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 химических эле-

ментов периодической системы Д. И. Менделеева, масса атомов ко-

торых составляет свыше 50 атомных единиц массы (а.е.м.). Это

Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Mo, Mn, Ni, Sn, Co и др. Сложившееся понятие

«тяжелые металлы» не является строгим, так как к ТМ часто от-

носят элементы-неметаллы, например As, Se, а иногда даже F, Be и

другие элементы, атомная масса которых меньше 50 а.е.м.

Среди ТМ много микроэлементов, биологически важных для

живых организмов. Они являются необходимыми и незаменимы-

ми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших

физиологических процессов. Однако избыточное содержание ТМ в

различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже ток-

сичное действие на живые организмы.