CC BY
35
УДК 631.416.9
МОНИТОРИНГ МИКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТОЯНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ
В.И. Панасин, д.с.-х.н.
Центр агрохимической службы «Калининградский», e-mail: agrohim_39@mail.ru
В работе концептуально рассмотрены методологические аспекты комплексного изучения микроэлементов в основных звеньях агроэкосистем на современном этапе. Обоснован мониторинг микроэлементного состояния агроландшафтов. Рассмотрена необходимость создания федерального и региональных банков данных распространения микроэлементов в почвах, почвообразующих породах, почвенно-грунтовых водах и растениях. Показана актуальность создания и внедрения биотехнологий получения растениеводческой продукции с заданными параметрами микроэлементов.
Ключевые слова: микроэлементы, агроландшафты, мониторинг, биотехнология.
MONITORING OF MICROELEMENTAL CONDITION OF AGROECOSYSTEMS
Dr. Sci. V.I. Panasin
Center of agrochemical service «Kahningradskiy», e-mail: agrohim_39@mail.ru
Methodological aspects of the complex research of microelements in basic components of agroecosystems at modern stage are presented in article. Monitoring of microelemental condition of agrolandscapes has been substantiated. Necessary of formation of the federal and regional data bases of microelements distribution in soil, parent rock, ground waters and plants is considered. Urgency of formation and introduction of biotechnologies for harvesting ofplant production with stable microelemental parameters is shown.
Keywords: microelements, agrolandscapes, monitoring, biotechnology.
В отечественной и зарубежной биологической и особенно агрохимической науке большое внимание уделяется исследованиям роли микроэлементов в агроэкосистемах. На фоне современных интенсивных технологий в растениеводстве оптимизация процессов питания растений микроэлементами выступает в качестве дополнительного фактора повышения урожайности и качества продукции, и в конечном итоге, эффективности отрасли земледелия в целом.
Многочисленные исследования [1-12] выявили большую пестроту содержания и запаса микроэлементов в почвах, почвообразующих породах и поч-венно-грунтовых водах. В условиях усиления антропогенного воздействия на экосистемы, в частности, интенсификации аграрного производства, отмечается тенденция к возрастанию потоков микроэлементов между отдельными компонентами биогеоценозов. Внедрение высокоинтенсивных сортов и гибридов на фоне использования концентрированных безбалластных макроудобрений стимулирует интенсификацию малого биологического круговорота химических элементов, что обостряет дисбаланс между элементами минерального питания растений. В такой ситуации пополнение запасов микроэлементов в почвах отстает от темпов отчуждения их с товарной продукцией. Вследствие этого складывается отрицательный баланс микроэлементов в земледелии, что обусловливает необ-
ходимость проведения систематического мониторинга содержания микроэлементов во всех звеньях агроландшафтов.
Весьма актуально изучение зональной и региональной специфики накопления и распределения микроэлементов в почвах, а также выявление дефицита по отдельным микроэлементам в различных регионах страны.
Оценка обеспеченности почв микроэлементами с учетом ассортимента возделываемых сельскохозяйственных культур не менее важная задача. При этом необходимо установить как диапазон оптимальных концентраций, так и пороговые значения, при достижении которых недостаток или избыток микроэлементов снижает урожай или ухудшает качество сельскохозяйственной продукции.
Сложности установления единых нормативов обеспеченности почв микроэлементами заключаются в широком спектре потребностей культурных растений в тех или иных микроэлементах. Подбор агрессивности вытяжек, моделирующих условия сорбции ионов в ризосфере, затруднителен вследствие как различий физических и физико-химических свойств почв, так и биологических особенностей возделываемых видов и сортов культурных растений. Расширение и углубление исследований в этом направлении во всех почвенно-климатических зонах и биогеохимических провинциях страны представляется весьма актуальным.
На современном этапе развития учения о микроэлементах необходима детализация информации о формах их нахождения в почвах и закономерностях поглощения культурными растениями. Для этого целесообразен расчет ряда дополнительных количественных характеристик состояния микроэлементов в системе почва-растение. Так, коэффициенты профильной дифференциации (коэффициент биологического накопления, коэффициент иллюви-альности) характеризуют совокупное влияние естественных и антропогенно обусловленных почвообразовательных процессов на распределение микроэлементов. Анализ значений коэффициентов подвижности микроэлементов в генетических горизонтах почвенного профиля дает дополнительную информацию о процессах аккумуляции и рассеивания их в почвах. В зависимости от соотношений аккумулятивных, элювиальных и иллювиальных процессов возможна разработка приемов вторичного использования элементов питания, и особенно микроэлементов, из подпахотных горизонтов.
Изучение процессов трансформации микроэлементов в системе почва-растение на современном уровне невозможно без применения математических методов исследования, позволяющих более глубоко познать взаимосвязь процессов и закономерностей. Математическое моделирование позволяет установить положительную корреляционную связь разной степени тесноты между содержанием микроэлементов в почвах и почвообразующих породах, валовым количеством и концентрацией подвижных форм элементов, а также между содержанием физической глины в минеральных почвах и количеством микроэлементов. Степень тесноты корреляционной связи определяется типом почвы и свойствами отдельных элементов [9, 10, 13].
Более сложные закономерности наблюдаются между содержанием микроэлементов и количеством гумуса, кислотностью, суммой поглощенных оснований и степенью насыщенности основаниями. В целом характер данных связей для подвижных форм большинства микроэлементов слабый или средней степени тесноты. Это связано с амфотер-ным характером некоторых элементов, а также с различной устойчивостью окисленных и редуцированных форм элементов с переменной валентностью. Перспективным направлением может стать создание нелинейных многофакторных математических моделей для более глубокого понимания этих закономерностей.
Ключевым звеном для управления потоками микроэлементов в агроэкосистемах служит познание закономерностей поглощения микроэлементов в системе почва-растение. Для каждой возделываемой культуры необходимо выявление оптимальных соотношений между макро- и микроэлементами, а также отдельных микроэлементов друг с другом.
Следует учитывать явление синергизма и антагонизма при поглощении отдельных ионов корневыми системами растений. Представляет интерес исследование динамики поглощения микроэлементов растениями при различном уровне обеспеченности основными элементами минерального питания растений.
На известкованных почвах установлен повышенный эффект от применения микроудобрений при использовании интенсивных технологий земледелия. При этом возрастает биологическое поглощение микроэлементов вследствие коренного преобразования физико-химических и биохимических процессов в почве [14]. В частности, применение повышенных доз некоторых известковых материалов можно использовать для ремедиации земель сельскохозяйственных угодий со значительным превышением содержания подвижных соединений ряда микроэлементов в почвах.
Формы нахождения микроэлементов и доступность их растениям в значительной мере определяются содержанием и составом органического вещества. Емкость поглощения специфических гумусовых веществ многократно превышает поглотительную способность минеральной составляющей почвенного поглощающего комплекса. В силу наличия в молекулах гумусовых веществ многочисленных функциональных групп различной природы устойчивость органоминеральных соединений микроэлементов варьирует в достаточно широких пределах.
Изучение зависимости содержания и подвижности микроэлементов от гумусированности и параметров гумусового состояния почв проводится достаточно длительное время. Однако использование корреляционно-регрессионного анализа не привело к однозначным результатам. Полученные разными исследователями коэффициенты линейной корреляции между содержанием гумуса и подвижных соединений микроэлементов различаются весьма существенно, в некоторых работах коэффициенты имеют разный знак. По-видимому, такие коэффициенты и выведенные на их основании уравнения регрессии применимы лишь к тем выборкам, на анализе которых получены.
Более перспективный метод изучения взаимодействия гумусовых веществ с ионами микроэлементов - построение нелинейных многофакторных моделей и изучение взаимодействия солей микроэлементов с препаратами гумусовых веществ. Однако препараты гуминовых и фульвокислот, выделяемые из почв различного генезиса и по разным методикам, будут различаться как по элементному составу, так и по химическим свойствам. Тем не менее, представляется целесообразным создание моделей взаимодействия микроэлементов со специфическими гумусовыми веществами с учетом почвенно-генетических и регионально-климатических аспектов.
В последние десятилетия в связи с недостаточным объемом мелиоративных работ в некоторых районах Нечерноземной зоны активизируются процессы локального заболачивания, при этом увеличивается контрастность почвенного покрова. При смене окислительно-восстановительных условий в существенной мере изменяется подвижность и доступность для растений микроэлементов с переменной валентностью, а также соотношение концентраций между отдельными элементами как в почвенном растворе, так и в обменно поглощенном состоянии. Значительный интерес представляют исследования трансформации микроэлементов при изменении водно-воздушного режима, в частности, при периодическом или длительном снижении окислительно-восстановительного потенциала до 200 мВ и ниже. Практический интерес представляет изучение подвижности и доступности микроэлементов при различных нормах осушения.
Применение органических удобрений - важный аспект поддержания устойчивости пахотных агро-ландшафтов. Для ряда органических удобрений посчитано количество поступающих в почву микроэлементов [15]. Однако до сих пор нет общепринятых коэффициентов использования микроэлементов из органических удобрений. На наш взгляд, представляет интерес исследование процессов трансформации соединений микроэлементов при взаимодействии органических удобрений с почвой. Количественная оценка усвоения микроэлементов из органических удобрений в зависимости от вида и сорта культуры в различных почвенно-климатических условиях даст возможность скорректировать баланс микроэлементов в севообороте и уточнить оптимальные дозы микроудобрений. Этой проблематике в будущем должно быть уделено пристальное внимание.
Оптимизация химического состава кормов, в том числе содержания в них микроэлементов, - одно из условий повышения продуктивности отрасли животноводства. В связи с этим специалистам агрохимической и ветеринарной служб необходимо вести постоянный мониторинг качества кормов с целью выявления дефицита или избытка микроэлементов, а также внедрить технологию получения кормов с оптимальным содержанием микроэлементов.
За последнее столетие многократно возрос антропогенный поток вещества через основные звенья биосферы, в том числе через агроэкосистемы. Появились не существовавшие в природе химические формы элементов, в том числе и микроэле-
ментов [14]. Это корректирует естественные закономерности распространения микроэлементов в компонентах биогеоценозов. Металлургические, химические, нефтехимические предприятия и транспорт создают локальные аномалии содержания химических элементов, причем в ряде случаев их концентрации достигают токсичных для биоты величин. Возрастает роль аэрального и в ряде случаев гидрогенного потока микроэлементов в почвы. В этой связи необходима паспортизация всех крупных источников техногенной эмиссии микроэлементов, а также корректировка регламентов применения микроэлементов в земледелии. Кроме того размещение объектов промышленного и сельскохозяйственного производства, инфраструктуры, селитебных и рекреационных территорий должно быть увязано с естественными и техногенными потоками вещества, в частности, микроэлементов. Учет розы ветров, а также химических форм нахождения элементов в техногенных источниках позволит существенно снизить экологические риски.
Необходимо расширить пул микроэлементов, включить дополнительно такие физиологически важные, как: йод, фтор, ванадий, селен. При определении порогово-нормативных диапазонов концентраций этих элементов в почвах в качестве тест-объектов должны быть изучены не только культурные растения, но и основные представители почвенной микрофлоры. Кроме того изучение синергизма и антагонизма микроэлементов с макроэлементами представляет как теоретический, так и прикладной интерес.
Таким образом, на сегодняшний день весьма актуально создание в нашей стране оснащенных современным высокопроизводительным оборудованием межрегиональных центров по отработке методик и определению ряда малоизученных микроэлементов во всех компонентах агроланд-шафтов.
В каждом регионе должна быть создана модель получения растениеводческой продукции с заданным содержанием микроэлементов. Кроме того, необходима оптимизация ассортимента выпускаемых промышленностью средств химизации земледелия с учетом региональных закономерностей распространения микроэлементов в агроэкосистемах. Это позволит увеличить производительность земледелия в целом, повысить качество растениеводческой продукции и значительно улучшить экологическую ситуацию, продуктивность животных и здоровье человека.
Литература
1. Вернадский В.И. Очерки геохимии. - М.-Л., 1934. - 380 с.
2. Важенин И.Г. Методические указания по агрохимическому обследованию и картографированию почв на содержание микроэлементов. - М., 1976. - 78 с.
3. Каталымов М.В. Микроэлементы и микроудобрения. - М., 1965. - 330 с.
4. Ковальский В.В., Андрианова Г.А. Микроэлементы в почвах СССР. - М., 1970. - 179 с.
5. Власюк П.А. Биологические элементы в жизнедеятельности растений. - Киев, 1969. - 516 с.
6. Пейве Я.В. Агрохимия и биохимия микроэлементов. - М., 1980. - 430 с.
7. Ринькис Г.Я., Ноллендорф В.Ф. Сбалансированное питание растений макро- и микроэлементами. - Рига, 1982. - 304 с.
8. Кашин В.К. Биогеохимия, фитофизиология и агрохимия йода. - Л., 1987. - 261 с.
9. Протасова Н.А., Щербаков А.П. Микроэлементы (Cr, V, Ni, Mn, Zn, Cu, Co, Ti, Zr, Ga, Be, Ba, Sr, B, I, Mo) в черноземах и серых лесных почвах Центрального Черноземья. - Воронеж, 2003. - 368 с.
10. Шеуджен А.Х. Биогеохимия. - Майкоп, 2003. - 1027 с.
11. Чумаченко И.Н. Физиологическая роль микроэлементов в питании растений // Химизация сельского хозяйства, 1989, № 11. - С. 30-32.
12. Ягодин Б.А. Проблема микроудобрений в земледелии СССР // Агрохимия, 1981, № 10. - С. 146-153.
13. Панасин В.И. Микроэлементы и урожай. - Калининград, 1995. - 276 с.
14. Панасин В.И., Слобожанинова В.Д. Агрохимические основы известкования кислых почв Калининградской области. Часть 2. - Калининград, 2003. - 193 с.
15. Анспок П.И. Микроудобрения. - Л., 1990. - 272 с.
16. Водяницкий Ю.Н. Загрязнение почв тяжелыми металлами и металлоидами и их экологическая опасность // Почвоведение, 2013, № 7. - С. 872-881.
References
1. Vernadsky V.I. Essays of geochemistry. - Moscow-Leningrad, 1934. - 380 p.
2. Vazhenin I.G. Methodical instructions for agrochemical survey and mapping of soils in the content of trace elements. -M., 1976. - 78 p.
3. Katalymov M.V. Micronutrients and micronutrient fertilizers. - M., 1965. - 330 p.
4. Kowalski V.V., Andrianov G.A. Microelements in soils of the USSR. - M.: Science, 1970. - 179 p.
5. Vlasyuk P.A. Biological elements in plant life. - Kiev, 1969. - 516 p.
6. Peyve Ya.V. Chemistry and biochemistry of microelements. - M., 1980. - 430 p.
7. Rinkis G.Ya., Nollendorf V.F. A balanced diet of plant macro- and microelements. - Riga, 1982. - 304 p.
8. Kashin V.K. Biogeochemistry, phytophysiology and agrochemistry of iodine. - L., 1987. - 261 p.
9. Protasova N.A., Shcherbakov A.P. Microelements (Cr, V, Ni, Mn, Zn, Cu, Co, Ti, Zr, Ga, Be, Ba, Sr, B, I, Mo) in chernozems and gray forest soils of the Central Black Earth region. - Voronezh, 2003. - 368 p.
10. Sheudzhen A.Kh. Biogeochemistry. - Maikop, 2003. - 1027 p.
11. Chumachenko I.N. The physiological role of micronutrients in plants // Chemization of agriculture, 1989, № 11. - P. 30-32.
12. Yagodin B.A. The problem of micronutrients in agriculture USSR // Agrochemistry, 1981, № 10. - P. 146-153.
13. Panasin V.I. Microelements and harvest. - Kaliningrad, 1995. - 276 p.
14. Panasin V.I., Slobozhaninova V.D. Agrochemical bases liming acid soils of the Kaliningrad region. Part 2. -Kaliningrad, 2003. - 193 p.
15. Anspok P.I. Microfertilizers. - L., 1990. - 272 p.
16. Vodyanitskiy Yu.N. Contamination of soils with heavy metals and metalloids and their environmental hazards // Soil Science, 2013, № 7. - P. 872-881.
ПАМЯТИ УЧЕНОГО
13 августа 2014 г. на 81 году ушел из жизни известный ученый и замечательный человек Борис Алексеевич Сушеница.
В 1957 г. Б.А. Сушеница закончил биолого-почвенный факультет имени М.В. Ломоносова. Трудовую деятельность начал в Таджикском НИИ земледелия в отделе агрохимии, где он проводил исследования с радиофосфором.
В 1968 г. Б.А. Сушеница защитил кандидатскую диссертацию на тему «Условия фосфорного питания хлопчатника на почвах с различным содержанием усвояемых фосфатов». В 1986 г. он успешно защитил докторскую диссертацию на тему «Формирование оптимальной насыщенности карбонатных почв фосфатами в целях улучшения питания хлопчатника и люцерны».
Б.А. Сушеница работал в таких крупных научных учреждениях, как ВНИПТИХИМ и ВИУА, а последнее время занимал должность главного научного сотрудника Московского НИИСХ «Немчиновка», где продолжал изучать вопросы превращения фосфора в почвах, повышения эффективности фосфорных удобрений и местных агроруд для питания растений.
В 1993 г. Б.А. Сушеница присвоено ученое звание профессора, под его руководством защищено 9 кандидатских и 3 докторских диссертации. К своим ученикам Борис Алексеевич относился с большой заботой и был для них, в полном смысле этого слова, «Отцом родным».
Для многих людей, знавших этого прекрасного человека, его уход незаменимая утрата.
Долгие годы Борис Алексеевич был членом редколлегии нашего журнала. Он внимательно читал каждый номер и всегда высказывал свое мнение по тем или иным работам, на многие из которых им были подготовлены рецензии.
Светлая память о Борисе Алексеевиче Сушенице навсегда останется в наших сердцах.
Редакция и редколлегия журнала «Агрохимический вестник»
