элементный состав почв и его экологическое значение

Почва состоит из минеральных, органических и органо-мине­ральных веществ. Источником минеральных соединений почвы являются горные породы, из которых слагается твердая оболоч­ка земной коры - литосфера.

В составе почв обнаружены почти все известные химические элементы. Средние цифры, показывающие содержание отдельных элементов в литосфере и почвах, называют кларками. Содержание отдельных химических элементов в литосфере и почве колеблется в широких пределах (табл. 3.5.).

Таблица 3.5

Содержание (в весовых процентах) химических элементов в литосфере и почвах (по Виноградову, 1962)

Литосфера состоит почти наполовину из кислорода (47,2 %), более чем на четверть из кремния (27,6 %), далее идут алюми­ний (8,8 %), железо (5,1 %), кальций, натрий, калий, магний (до 2-3 % каждого).

Поскольку минеральная часть почвы в значительной степени обусловлена химическим составом горных пород литосферы, име­ется 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 алю­миний, железо и т. д.

По объему атомов кислород занимает 92 %, а следующее за­нимает 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 да­ется 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 от­носятся S, Са, Mg, Ее, Ма, А1, С1.

Микроэлементы - количество в массе растений составляет от 0,01 до 0,0001 %. Это В, Мп, Со, Мо, Zn, V, I, S©.

Ультрамикроэлементы - содержатся в крайне незначительных количествах: менее 0,0001 %. Их много: Ва, Ве, Вг, ВІ, W, Jd, Ja, Hf, Au, Cd, Li, As, Ni, Sn, Us, Hg, Ru, Pb, Ag, ТІ, F, Сг, Се, Zr и др. Эти элементы биологически необходимы, но интервал экологиче­ски оптимальных концентраций очень узок и легко переходит гра­ницу положительного действия, а также представляет опасность для здоровья человека и животных.

Инертные элементы - образуют главную подгруппу 8-й груп­пы периодической системы Д.

Техногенные элементы (Ас, Am, Вп, Ст, ^, Pu, 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 ве­щества. Этот элемент входит в состав любой аминокислоты, а сле­довательно, в состав всех белков, а также он находится и в нуклеи­новых кислотах, носителях наследственных свойств. Обязателен азот как компонент хлорофилла и ферментов.

При недостатке азота в почвах сокращается период вегетатив­ного роста, снижается фотосинтетическая активность, уменьша­ется масса корней. При дефиците азота листья имеют бледно-зе­леную 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 каче­ство. Особенно неблагоприятен избыток азота для винограда, таба­ка, 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 соединени­ям относятся нуклеиновые кислоты, нуклеотиды, сахарофосфаты, фосфолипиды, фосфопротеиды, фитин и др. Недостаток фосфора приводит к замедлению роста, значительному уменьшению листо­вой 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 аг­роценозах, 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.

Калий обычно присутствует в почвах в большом количестве, од­нако получение высоких урожаев невозможно без дополнительного внесения этого элемента. При дефиците калия в доступной фор­ме снижается функционирование камбия, нарушаются процессы деления клеток, уменьшается толщина клеточной стенки эпидер- 82

миса, подавляется фотосинтез. Листья начинают желтеть с краев, затем края и верхушки приобретают бурую окраску.

Особенно большое количество калия содержится в бобовых рас­тениях, картофеле, капусте и других овощах.

Избыток калия в почвах, как правило, не фиксируется.

Кремний. Это необходимый элемент для всех растений, особен­но 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 на­блюдается.

Сера. Содержание серы в растениях 0,005-1 %. Сера является составной частью трех важнейших аминокислот - цистина, цис­теина 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 напомина­ют недостаток азота: посветление, желтизна, красноватый оттенок.

Кальций. Содержание кальция в растениях составляет 0,05-0,5 %. Он входит в состав ядра, митохондрий, рибосом, пла­стид, 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 связую­щим звеном между ДНК и белком.

При недостатке кальция в первую очередь страдают молодые ткани и корневая система растений. Недостаток приводит к набу­ханию 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 по­требляемых растениями элементов питания.

Недостаток железа тормозит два важнейших процесса энер­гообмена растений - фотосинтез и дыхание. У растений развива­ется глубокий хлороз, при остром дефиците листья могут стать совершенно белыми.

Натрий. Среднее содержание около 0,2 % при диапазоне 0,008 - 2,5 %. Натрий играет важную роль в поддержании ки­слотно-щелочного равновесия, регулирует осмотическое давле­ние и влияет на содержание воды в тканях.

Хлор. Среднее содержание 0,01 %. Хлор положительно влия­ет на обводненность тканей и набухаемость протоплазмы клеток. Перемещаясь вместе с калием, он поддерживает в клетках элек­тронейтральность, воздействует на активность ферментов, участ­вующих в процессе фотосинтеза. Избыток хлора проявляется в засоленных почвах. К хлорофобным растениям относятся земля­ника, картофель, крыжовник, помидоры, смородина, фасоль.

Алюминий. Поразительно мало в растениях алюминия, срав­нивая 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.