Массоперенос химических элементов и их соединений в агроценозах

Хозяйственная деятельность человека часто является причиной химической деградации почв агроценозов. Для разработки критериев оценки деградации необходимо целостное понимание механизмов, протекающих внутри агроэкосистемы. В представленной работе анализируется перемещение химических элементов в звене биогеохимического круговорота (в системе почва – сельскохозяйственная культура), рассматривается массоперенос химических компонентов, поступающих из почвы в растения и вынос их с растительной продукцией.

Сведения о миграции химических элементов и их соединений в системе почва – растение представляют интерес для исследования процессов, в которых перемещению химических элементов придается важное экологическое значение (Ильин, 2006) . При этом необходимо отметить, что функционирование агроценозов значительно отличается от характера функционирования естественных экосистем. В агроэкосистеме отчуждается 20–80% от всей биопродукции, что приводит к разомкнутости круговорота химических элементов и изменению в системе баланса вещества и энергии, в то время как природная экосистема функционирует самостоятельно и является саморегулируемой системой, в которой биологические круговороты большинства химических элементов близки к замкнутому типу (Ковда, 1981; Фокин, 1988) .

Целью работы являлось обобщение информации, характеризующей круговорот и массоперенос химических элементов в агросистеме, анализ использования балансовой модели при прогнозировании выноса и аккумуляции металлов в почвах агроценоза, рассмотрение явлений антагонизма и синергизма элементов в поч- ве при их поступлении в растения, анализ методов оценки подвижных форм соединений химических элементов, участвующих в массопереносе, учет которых необходим для получения экологически безопасной продукции и грамотного использования удобрений.

ПОДВИЖНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ АГРОЦЕНОЗОВ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИХ ДОСТУПНОСТИ ДЛЯ РАСТЕНИЙ

Основные транспортные потоки доступных для поглощения растениями веществ, приводящие к их вертикальному перемещению и перераспределению по почвенному профилю, происходят в рамках биологического круговорота по проводящим системам живых растений (Фокин, 1999; Фокин, 2004) . При этом абиотические транспортные потоки перемещения растворенных веществ через поровое пространство имеют подчиненное значение (Фокин, 1999; Фокин, Торшин, 2020) . В то же время зафиксировано наличие диффузионной и конвективно-диффузионной миграции Cd, Zn, Cu Fe, Co, Ni в почвах, длительно орошаемых природными и сточными водами, установлены величины коэффициентов диффузии этих элементов (наиболее высокие значения скорости диффузии зарегистрированы у Cd). Для всех элементов параметры диффузии увеличивались с ростом валового содержания элемента и с ростом засоленности почв и оросительных вод (Фрид и др., 2014; Фрид и др., 2016) .

В дерново-подзолистой почве под влиянием избыточного увлажнения зафиксировано изменение ее физико-химических свойств (снижение ОВП, изменение рН), что повлекло за собой изменение фракционного состава металлов с переменной валентностью и увеличение содержания металлов в подвижных фракциях (водорастворимых, обменных, связанных с органическим веществом и аморфными соединениями железа). Параллельно с этим происходило снижение концентраций металлов в остаточной фракции и фракции, связанной с окристаллизованными соединениями железа. Увеличение подвижных соединений элементов в почвах увеличивает потенциальную способность их миграции в сопредельные среды (Плеханова, 2007). Водорастворимые и об- менные фракции представляют собой наиболее подвижные и биологически доступные формы соединений металлов в почвах (Ладонин, 2019).

Одной из важнейших практических задач агрохимии, почвоведения, экологии и других дисциплин, связанных с природопользованием, является оценка количественного участия и роли отдельных соединений или групп соединений в поступлении различных элементов минерального питания и токсичных веществ в растения через их корневые системы (Фокин, Торшин, 2020) . Почва и растения связаны набором обратных связей, откликов, оказывают влияние друг на друга на различных уровнях взаимодействия, включая изменения в элементном составе (Ehrenfeld et al., 2005) .

Сложность почвенной минеральной матрицы, влияние целого ряда факторов, взаимное влияние элементов друг на друга значительно затрудняют исследования. Отсутствие сбалансированности содержания макро- и микроэлементов может являться причиной низкой продуктивности агроценозов и низкого качества сельскохозяйственной продукции (Han et al., 2011) . Основными факторами, определяющими поведение элементов в почве, являются pH, содержание и характер органического вещества, емкость катионного обмена, гранулометрический состав. Различные типы почв могут значительно отличаться по преобладанию определенных индивидуальных, контрастных фаз-носителей металлов: карбонатов, (гидр)оксидов железа и марганца, глинистых минералов и гумусовых веществ (Shan, Chen, 1993) . Помимо этого, следует принимать во внимание роль специфических почвенных процессов, способных влиять на процессы сорбции-десорбции элементов. Так в результате образования конкреций может снижаться содержание доступных для растений форм микроэлементов, вплоть до вывода части из них из биологического круговорота (Тимофеева, 2018) . Последствия интегрального воздействия этих факторов химической и физической природы на элементный состав должны также изучаться комплексом дополняющих друг друга химических и физических методов.

Исследование транспортных потоков в агроценозах (массо-переноса) предполагает проведение анализа и оценки наиболее активной части химических соединений, участвующих в переносе элементов из почвы в растения. Валовое содержание элементов в почве не является достаточно информативным показателем для оценки обеспеченности ими растений (Siromlya, 2009). Мобильность и доступность питательных элементов в почвах агроэкосистем, в том числе поступающих с удобрениями, в значительной степени регулируется динамическими процессами, протекающими в почве (Dhaliwal et al., 2019). Оценка содержания доступных форм элементов, наличия связи с компонентами почвы и прочности этих связей позволяет получить представление о запасе элементов, которые могут вовлекаться в биологический круговорот.

Возможности оценки доступности элементов для растений определяются несколькими подходами, такими как: 1) корреляция между пулом подвижных форм элементов в почве, определенных методами одиночной или последовательной экстракции, и их аккумуляцией в растениях; 2) модель активности свободных ионов (free ion activity model (FIAM)); 3) модель наземного биотического лиганда (terrestrial biotic ligand model (TBLM)); 4) модель диффузионных градиентов в тонких пленках (the diffusive gradients in thin films (DGT)); 5) метод изотопного разбавления (меченые атомы) (Feng et al., 2005; Кульнев и др., 2020) . При этом необходимо отметить, что содержание подвижных форм элементов может зависеть от гидрологических условий (Плеханова, 2007) , климатических факторов, и в значительной степени может варьировать в зависимости от сезонов года (Гайдукова и др., 2000) . Несмотря на то, что для отдельных элементов и видов растений могут наблюдаться четко коррелирующие зависимости в соотношении концентраций элементов в почве и органах растений, на сегодняшний день не существует метода экстракции, который мог бы релевантно отражать поступление элементов в растения из почвы для всех элементов, почв всех типов и всех видов растений (Reimann et al., 2015) .

Тем не менее, методы одиночной и последовательной экстракции активно используются при изучении форм нахождения элементов в почвах, проводятся апробирования методик их определения на различных объектах и предлагаются новые подходы (Menzies et al., 2007; Rao et al., 2008; Plekhanova, Bambusheva,

2010; Ivezic et al., 2013; Hosseinpur, Motaghian, 2015) .

В настоящее время для оценки содержаний доступных для растений подвижных форм химических элементов в почве наиболее широко используется их экстрагирование различными реагентами. Эти подходы внедрены в системе Агрохимслужбы, а также находят применение при проведении эколого-геохимических исследований. При определении подвижных форм фосфора и калия для кислых почв Нечерноземной зоны стандартом в России является метод Кирсанова, который основан на извлечении подвижных фосфатов из почвы 0.2 н. раствором HCI. Для некарбонатных почв лесостепной и степной зон стандартом определения подвижных соединений фосфора и калия является метод Чирикова, основанный на извлечении фосфора и калия 0.5 н. раствором уксусной кислоты. Подвижные соединения фосфора и калия в карбонатных почвах определяют по методу Мачигина, в котором в качестве экстрагента используется углекислый аммоний. В странах Балтии для извлечения подвижных соединений фосфора используется смесь молочной и уксусной кислот, забуференных уксуснокислым аммонием до рН 3.7 (метод Эгнера–Рима–Доминго) (Большаков и др., 2004) . Широкое распространение за рубежом при определении подвижных форм фосфора нашел метод Олсена, в котором в качестве экстрагента используется 0.5 н. раствор NaHCO 3 (рН 8.5) (Христенко, Иванова, 2011; Horta, Torrent, 2007) . Метод рекомендован для анализа кислых, нейтральных и карбонатных почв. В последнее время он все чаще используется в России на территориях с высокой пестротой почвенного покрова.

Для характеристики обеспеченности почв микроэлементами в отечественной агрохимической практике получил широкое распространение метод экстракции ацетатно-аммонийным буферным раствором (рН 4.8) по Крупскому–Александровой. При этом ацетатно-аммонийный буфер используется как групповой экстрагент для различных элементов. Известными, но реже используемыми в силу бóльшей трудоемкости, являются методы извлечения микроэлементов индивидуальными экстрагентами, разработанными Пейве и Ринькисом для характеристики содержания подвижных микроэлементов в почве и оценки обеспеченности ими растений (Методические указания…, 1976) .

В настоящее время продолжаются исследования и поиски новых методов, применение которых будет наиболее адекватно отражать коррелятивные зависимости между концентрацией подвижных элементов в почве и их содержанием в растениях (Feng et al., 2005; Fang et al., 2007; Menzies et al., 2007; Rao et al., 2008; Ivezić et al., 2013; Hosseinpur, Motaghian, 2015) . Одним из рассматриваемых вариантов является метод экстракции смесью низкомолекулярных органических кислот, имитирующей состав растительных экссудатов и метаболитов микроорганизмов (смесь сан-тимолярной уксусной, молочной, лимонной, яблочной, муравьиной кислот, взятых в соотношении 4 : 2 : 1 : 1 : 1) из образцов ризосферной части почвы и почвы в целом (RHIZO и A-RHIZO) (Feng et al., 2005; Fang et al., 2007) . В результате применения данного метода показаны достоверные корреляции между содержанием подвижных форм Cu, Cd, Zn в почве и содержанием этих элементов в корнях пшеницы на кислых, нейтральных и слабощелочных почвах (для Ni и Pb использование данного метода не показало столь успешного результата (Feng et al., 2005) . При работе с почвенными пробами с естественной влажностью экстракция смесью низкомолекулярных кислот позволила получить более высокие коэффициенты корреляции (Fang et al., 2007) . На основании анализа полученных результатов с применением множественной регрессии данный метод экстракции в большинстве случаев не требовал включения в уравнения параметров свойств почв для улучшения предсказуемости содержания элементов в корнях пшеницы.

Проведены исследования ЭДТА как экстрагента для определения биодоступности микроэлементов в системе почва – растение. При этом учитывалось, что ЭДТА является сильным хелатирующим компонентом, который, удаляет металлы, связанные с органическими компонентами почв, и частично металлы в оксидах и вторичных глинистых минералах. Результаты экстракции ЭДТА показывали достоверные коррелятивные зависимости с поглощением металлов растениями на кислых почвах, но явились неприменимым показателем доступности микроэлементов для щелочных и нейтральных почв (Feng et al., 2005; Ivezić et al., 2013). Следует отметить, что в настоящее время не существует метода, признанного универсальным для оценки биодоступности тяжелых металлов в почвах.

Временами для оценки сбалансированности массопереноса химических элементов из почвы в растения и обеспеченности сельскохозяйственных культур макро- и микроэлементами используется метод листовой диагностики . Ильиным В.Б. (1985) отмечается ряд недостатков этого метода, наиболее значимыми из которых являются следующие: 1) метод не дает возможности различать истинный дефицит элемента в почве от дефицита в питании растений, обусловленного антагонизмом с другими элементами; 2) не позволяет установить точные дозы удобрений, которые следует внести для корректировки дефицита в конкретных почвенных условиях (Ильин, 1985) . Эти недостатки решаются комплексным подходом, сочетающим растительную диагностику и анализ почв, желательность которого подчеркивали и разработчики метода, в том числе и В.В. Церлинг, которой были обобщены основные наработки отечественных и зарубежных исследователей в этом направлении (Церлинг, 1978) .

Обеспеченность растений элементами питания можно осуществлять, контролируя интенсивность биохимических процессов. А.С. Плешков и Б.А. Ягодин (1982) разработали метод диагностики питания растений по измерению фотохимической активности хлоропластов. Для диагностики авторы использовали определение фотохимической активности суспензии хлоропластов из средней пробы листьев исследуемых образцов. В суспензию добавляли диагностируемые элементы минерального питания, недостаток элемента устанавливали по увеличению, а избыток – по уменьшению фотохимической активности, по сравнению с контрольной суспензией. Содержание диагностируемых элементов в питательной среде корректировалось по соотношению, пропорциональному фотохимической активности. Метод позволяет определить потребность растений в 12–15 макро- и микроэлементах питания и дать рекомендации по проведению корневых и некорневых подкормок растений. Он расширяет диапазон диагностируемых элементов и повышает эффективность использования растениями минеральных элементов путем прямого установления их недостатка или избытка.

СИНЕРГИЗМ, АНТАГОНИЗМ, ТОКСИЧНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ПОСТУПЛЕНИИ ИЗ ПОЧВЫ В РАСТЕНИЯ

Полученные представления о доступности питательных элементов в почве не всегда дают возможность достоверно оценить количество элементов, которое будет поглощено растением. Одним из факторов, объясняющих неопределенность в этом вопросе, являются возникающие при взаимодействии элементов между собой явления синергизма и антагонизма . Для синергизма характерно положительное взаимодействие между двумя и более элементами, приводящее к поглощению растением бóльшего количества элементов. Взаимодействие между элементами, приводящее к уменьшению поглощения одного или нескольких элементов, называется антагонизмом (Malvi, 2011) . Синергизм и антагонизм во многом объясняют отсутствие четких корреляционных связей между содержаниями элементов, находящихся в почве, и концентрациями элементов, поступающих в растения. Эти явления осложняют определение доз удобрений, которые необходимо внести для восполнения дефицита элементов питания, так как при совместном внесении возможны негативные последствия взаимодействия элементов, что необходимо учитывать при создании оптимизированных систем питания растений (Ринькис и др., 1989; Кулаковская, 1990) . Явления синергизма и антагонизма между элементами в растениях непостоянны. Они возникают и меняют свой характер в зависимости от фазы развития растений, метеорологических условий (Зубкова, 2004) . Характер взаимодействия между элементами зависит от свойств почвы, варьирует под воздействием внешних факторов, концентраций и пропорций контактирующих элементов (Malvi, 2011) .

Сбалансированность химического состава внутри живых организмов – основное условие их нормального роста и развития, а реакции взаимодействия элементов могут служить причиной химических стрессов у растений (Kabata-Pendias, 2011). Наличие информации о взаимодействии питательных веществ может способствовать эффективному внесению удобрений и получению высоких урожаев (Rietra et al., 2017). Существуют методы, при которых явления антагонизма и синергизма элементов выявляются на ос- новании оценки урожайности (Rietra et al., 2017). Однако использование урожайности как показателя может быть необоснованно, поскольку при одной и той же величине урожая может различаться структура получаемой продукции (например, мелкие и крупные семена). Также увеличение урожая не свидетельствует о сохранении при этом его качества, которое может снижаться по химическому и биохимическому составу (Ельников, Рогова, 2017).

Возможность оценить явления синергизма и антагонизма в основном дают модельные эксперименты, проводимые в лабораторных или полевых условиях, при которых исследуются изменения в поведении одних элементов при добавлении в среду других. Данные подобных экспериментов, проведенные Ринькисом с коллегами, позволили сделать вывод, что “поглощение всех элементов минерального питания растениями находится в тесной взаимосвязи” и “повышение концентрации какого-либо элемента в субстрате приводит к увеличению его концентрации в растении” (Ринькис и др., 1989) . При этом концентрации элементов должны находиться в зоне оптимума, иначе превышение оптимального значения (избыток элемента) может приводить к снижению поглощения других элементов (антагонизм), тогда как компенсация дефицита элемента может способствовать поглощению прочих элементов (синергизм).

В результате проведения ряда экспериментов В.В. Степанок (2003) выделил некоторые закономерности взаимодействия элементов: элементы, входящие в одну группу периодической системы, проявляют антагонизм друг к другу; элементы, входящие в состав соседних групп, проявляют синергизм. Также отмечается, что указанные закономерности более ярко выражены для элементов главных подгрупп, и сила взаимодействия больше для элементов, которые сильнее различаются по химической активности (Степанок, 2003) .

Изменениям во взаимодействии элементов может способствовать проведение различных мелиоративных мероприятий. Так показано, что увеличение концентрации кальция в почвенном растворе в результате известкования может способствовать проявлению антагонизма среди металлов, таких как Sr, Ba, Ra (Алексеев, 1987). Вследствие возникающей конкуренции за места поглоще- ния на поверхности корней содержание данных элементов в растениях оказывается меньше, чем на почвах без известкования. Известкование приводит к уменьшению содержания в растениях большинства тяжелых металлов, однако щелочные значения pH влекут за собой увеличение доступности Cr и Mo. В целом синергизм и антагонизм элементов может быть использован в земледелии для регулирования поступления тяжелых металлов или радионуклидов в сельскохозяйственную продукцию и, как следствие, влиять на круговорот элементов (Минеев, 2008).

Взаимосвязь между калием и магнием в тканях растений может быть антагонистической или синергической в зависимости от вида растения и его возраста. Существуют синергические эффекты калия и магния на фотосинтез, транспорт и распределение углеводов, а также азотистый обмен. Антагонистическое действие калия на магний сильнее, чем магния на калий, что указывает на необходимость сбалансированного использования удобрений (Xie et al., 2021) . Обнаружено антагонистическое действие меди на поступление молибдена в семена рапса (Торшин, 1998) . Установлено влияние селена на увеличение содержания азота в зерне ячменя при двойной дозе внесения удобрений (2NPK) (Долгодворова, Во ронина, 2014; Воронина и др., 2018) . Под действием кадмия снижались темпы накопления азота, фосфора и калия, под действием цинка снижались темпы накопления калия (Зубкова, 2004) .

Исследованиями показано, что загрязнение почвы фтором явилось причиной нарушения интенсивности окислительновосстановительных и гидролитических процессов, вследствие чего в почве произошло увеличение содержания восстановленных форм азота. Повышение дозы фтора в почве способствовало усилению поступления азота в растения (Краснова и др., 1989) . При этом обменный кальций и магний являются основными компонентами почв, которые ограничивают избыточное поступление фтора в растения (Борисочкина и др., 1991) .

Загрязнение среды свинцом приводит к ухудшению питания растений фосфором, а так как почвы Нечерноземной зоны России часто требуют внесения фосфорных удобрений, то, следовательно, присутствие в почве повышенных концентраций свинца предполагает необходимость внесения дополнительных доз фосфорных удобрений (Торшин, 1998).

Зафиксированы явления антагонизма цинка и железа. Избыток цинка ведет к заметному снижению содержания железа в растениях. С другой стороны, железо снижает поступление цинка в растения и токсичность уже поглощенного цинка (Kabata-Pendias, 2011; Di Gioia et al., 2019) . Поглощение и перенос железа в органах растений во многом зависит от специфических особенностей растений, а также от почвенных параметров, наибольшее значение из которых имеют рН, содержание кальция и фосфора, а также соотношение содержаний некоторых тяжелых металлов. Симптомы железистой токсичности проявляются по-разному в зависимости от вида и стадии развития растений. Наиболее отчетливо фиксируемым признаком токсичности является величина отношения железа к другим тяжелым металлам (в частности Fe/Mn) (Kabata- Pendias, 2011) .

Фосфор и цинк входят в число лимитирующих факторов, оказывающих негативное влияние на разбалансированность питания сельскохозяйственных культур, что следует учитывать при оценке эффективного плодородия почв и прогнозировании качества продукции. Однако совместное взаимодействие этих элементов на определенном уровне может быть антагонистичным. Повышенное применение фосфорных удобрений влечет за собой более медленное усвоение цинка растениями и даже приводит к его дефициту, что является причиной снижения урожайности (Aboyeji et al., 2020) . Разработаны диагностические показатели, характеризующие возможные поражения хлорозом листьев кукурузы (выращенной на черноземе обыкновенном), вызванного нарушением соотношения фосфора и цинка. Разработанные параметры характеризуют критические уровни соотношения подвижного фосфора (метод Мачигина) и подвижного цинка (экстракция ацетатно-аммонийным буфером, рН 4.8) в почве. При соотношении P/Zn>9 возможен хлороз растений. Нормальное развитие растений наблюдается при соотношении P/Zn в интервале 4–6 (Аштаб, 1994; Аштаб, Ельников, 1994) .

Сбалансированность валовых содержаний тяжелых металлов в почвах необходимо учитывать при выявлении специфических особенностей территориальных факторов, определяющих изменение направленности токсикологической опасности под влиянием антропогенных воздействий или природных процессов. Результаты указывают на высокие индикаторные свойства показателей соотношения содержаний Fe, SiO2, Al2O3 на обследованных почвах, которые можно использовать для оценки токсикологической опасности в отношении тяжелых металлов (Ельников, Рогова, 2015). Явление токсичности возникло вследствие нарушения человеком систем саморегуляции и динамического равновесия, существовавшего в естественных биогеохимических циклах. Абсолютно токсичных элементов не существует, существуют только дозы, способные вызывать токсический эффект. Одинаково опасным является отклонение концентраций в обе стороны от оптимума (Коробова, 2020).

При этом результаты, получаемые для конкретных сельскохозяйственных культур, должны проверяться и на других видах, так как поступление элементов в растения, а значит и их вынос из почвы, в значительной степени определяется видовыми особенностями (Протасова, 2005) . Отдельные таксоны могут различаться по потребности и возможности усвоения элементов, по способности поддерживать определенные диапазоны концентраций и соотношений питательных элементов в организме (Han et al., 2011) . Различной способностью аккумулировать металлы во время онтогенеза могут обладать даже отдельные культурные сорта, что показано на примере аккумуляции редкоземельных элементов в различных сортах ячменя (Birsin et al., 2010) .

Выделяют ряд механизмов, посредством которых растения могут активно взаимодействовать с почвой, регулируя возможность поглощения элементов (Reimann et al., 2015) . А именно: 1) варьирование глубины залегания корней, где элементы выборочно поглощаются из почвы; 2) изменение среды вокруг корня за счет модификации почвенных условий, таких как pH, окислительновосстановительный режим; 3) изменения на клеточном уровне, регулирующие поступление элементов, – модификация плотности, селективности и эффективности ионных каналов; 4) эволюционная адаптация.

Более активному выносу поглощенных питательных элементов может способствовать разнообразный видовой состав рас- тений за счет конкуренции между видами (Wu et al., 2020), следовательно, при этом будет происходить более активный вынос элементов с полей, используемых для выращивания смеси трав (кормовых культур).

Значимую роль в изменении доступности элементов для растений, а значит и в перераспределении в агроэкосистеме, играют микроорганизмы (Cuypers et al., 2013) , влияние которых следует учитывать при анализе биогеохимического круговорота элементов в агроэкосистемах.

БАЛАНСОВЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ КРУГОВОРОТА И МАССОПЕРЕНОСА ЭЛЕМЕНТОВ В АГРОЦЕНОЗАХ

При прогнозировании массопереноса и аккумуляции металлов в агроэкоценозах находит применение балансовая модель (Кошелева, 2002) . Оценка баланса питательных элементов в агроценозе позволяет охарактеризовать эффективность использования удобрений (Лапа и др., 2013) . Баланс элементов в почве определяется по разности между их поступлением в почву и выносом с различными компонентами. В качестве статей выноса учитывают основную и побочную продукцию сельскохозяйственных культур, внутрипочвенный сток, эрозию и др. (Лебедовский, Яковлева, 2012) . В качестве источников поступления элементов в почву рассматривают атмосферные выпадения, удобрения и мелиоранты, а также посевной материал. Поступление с посевным материалом незначительное (<0.1–0.3%). Поэтому при балансовых расчетах этой статьей часто пренебрегают (Попова, 1992) .

Баланс элементов в агроэкосистеме определяется множеством факторов, многие из которых не всегда учитываются при составлении балансовых расчетов. К ним следует отнести: отчуждение с сорняками; возврат с послеуборочными остатками; испарение элементов из почв; транспирация растениями; прижизненные выделения растений; развитие дернового процесса; потребление растениями элементов из нижних горизонтов почв (в то время как обычно изучается состав верхнего пахотного горизонта). Для некоторых территорий значимым является поступление элементов с атмосферными выпадениями и с распылением морской воды, которое отслеживается на расстояния свыше нескольких десятков километров (Савич и др., 2005; Reimann et al., 2015).

При этом необходимо отметить, что на незагрязненных территориях поступление металлов на поверхность почвы с удобрениями и мелиорантами является основным источником прихода металлов и составляет от 72% до 98% от общего потока (Попова, 1992) . Многочисленные исследования показывают, что азотные и калийные удобрения не являются значительным источником поступления в агросистему микроэлементов (Попова, 1992; Овча ренко, 1995; Овчаренко, 2000; Карпова, 2003; Карпова, Минеев, 2015) . Наибольшие количества примесей содержат фосфорные удобрения. Содержание примесей в фосфорных удобрениях зависит от состава исходного сырья и технологии производства (Овчаренко, 1995; Овчаренко, 2000; Карпова, 2003; Минеев, 2005) . В то же время проведенными исследованиями показано, что применение минеральных удобрений и фосфогипса на черноземах не привело к существенному изменению содержания Zn, Ni, Pb и Cd в почве (Протасова, Горбунова, 2010) . Содержание Mn, Zn, Pb, Ni, Cd соответствовало фоновому уровню и не превышало ПДК (Горбунова, Студин, 2016) . С точки зрения загрязнения почв тяжелыми металлами применение фосфорных удобрений не представляет опасности (Минеев, 2005) .

В фосфорных удобрениях из отечественного сырья существенными являются примеси стронция и фтора. Зарубежное фосфатное сырье отличается повышенным содержанием кадмия (Карпова, 2003; Карпова, Минеев, 2015). Концентрация стабильного стронция в простом суперфосфате из апатитового концентрата составляет 1.2% (Гришина и др., 1991). При использовании минеральных удобрений баланс большинства микроэлементов в зоне дерново-подзолистых почв отрицательный или нулевой. При внесении фосфорных удобрений из фосфоритов возможно накопление фтора, поэтому необходимо контролировать его содержание в почве (Карпова, 2003). Использование простого суперфосфата из апатитового концентрата и фосфоритной муки должно сопровождаться контролем содержания стронция в почвах и растительной продукции (Карпова, Потатуева, 2004). При длительном применении двойного суперфосфата на дерново-подзолистой почве зафик- сировано повышение содержания всех форм стронция в почве, а наиболее существенные изменения произошли в содержании кислоторастворимой и обменной форм. Содержание валового стронция выросло не только в пахотном горизонте, но и в более глубоких слоях (Черных и др., 1999).

Внесение органических удобрений в большинстве случаев приводит к положительному балансу микроэлементов в агросистеме (Карпова, Минеев, 2015) . Особенно существенен вклад органических удобрений в поступлении Zn, Cu, As, Ni (Adriano, 2001) .

Вынос микроэлементов сельхозкультурами значительно увеличивается при применении минеральных удобрений в дозах, оптимальных для возделывания культур в данном регионе. В ряде случаев поступление тяжелых металлов с атмотехногенными выбросами может превосходить вынос металлов сельхозкультурами из почвы, что может явиться причиной их аккумуляции в системе (Борисочкина, Кайданова, 1989; Кайданова, Борисочкина, 1991; Карпова, Минеев, 2015) . На незагрязненных фоновых территориях уровни поступления микроэлементов из удобрений и атмосферных выпадений для агросистем сопоставимы. Исключением являются агроландшафты с повышенной аэротехногенной нагрузкой, где в качестве источника поступления доминируют атмосферные выпадения, и в этом случае техногенное поступление металлов может превосходить агрогенное (Минеев и др., 2015) .

Длительное использование высоких доз удобрений и мелиорантов на черноземных почвах не привело к загрязнению почв и сельскохозяйственной продукции тяжелыми металлами из-за высокого выноса элементов с растительной продукцией. При этом был зафиксирован дефицит подвижных соединений цинка и кобальта (Протасова, 2005). Вынос бора сахарной свеклой на удобренных вариантах на 12–14% выше, чем на вариантах без применения удобрений. Различия в выносе бора растениями из почв разной окультуренности не отразились на количестве подвижного (водорастворимого) бора в почвах удобренного и контрольного вариантов. Годовой вынос бора сахарной свеклой составлял n·10-2% от валовых запасов элемента пахотного и подпахотного слоев почвы. Содержание подвижного бора в типичных чернозе- мах варьировало от 1.2 до 1.6 мг/кг, что является свидетельством высокой обеспеченности почв микроэлементом. В перспективе недостаточность водорастворимого бора в типичных черноземах может быть обусловлена не истощением почвы, а изменением ее физико-химических параметров, которые координируют процессы равновесия между твердой фазой почвы и почвенным раствором (Борисочкина, Сиволобова, 1990).

Необходимо отметить, что в последние годы резко снизились поставки минеральных удобрений сельскому хозяйству (в постсоветский период они сократились в 5 раз). В результате резко отрицательного баланса между внесением удобрений и выносом питательных веществ в земледелии России нарастают негативные процессы в агроэкосистемах, ухудшаются свойства почв, снижается содержание в них доступных форм основных биогенных элементов. Нарушение биологического круговорота веществ в агроценозе происходит вследствие недооценки закона возврата в почву биофильных элементов. Негативные изменения отмечаются на всех типах почв, даже на высокоплодородных черноземах (Байбеков, 2003; Минеев, 2011) .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен анализ и обзор литературных источников по характеристике круговорота и массопереноса химических элементов в агроценозах. Показана более высокая интенсивность массопото-ка химических элементов на почвах сельхозугодий высокой окультуренности. Проанализированы статьи балансовой модели агроценоза: почва – удобрение – сельскохозяйственная культура. Затронуты вопросы оценки активной части химических соединений, участвующих в массопереносе. Рассмотрено взаимовлияние элементов при поступлении из почвы в растения (явления антагонизма и синергизма), которые следует учитывать при планировании эффективного использования питательных веществ. Подтверждено, что процессы химической деградации почв агроценозов сопровождаются разбалансированностью содержаний и соотношений питательных элементов в почвах.

Информация, позволяющая оценить масштабы и закономерности перемещения металлов в звене биогеохимического кругово- рота (в системе почва – сельскохозяйственная культура), требует дополнения и серьезных доработок. Сложность почвенной органоминеральной матрицы, воздействие целого ряда факторов, взаимное влияние элементов друг на друга подтверждают необходимость проведения дальнейших исследований.