УДК 577.486:634.9

Н. Н. Цветкова, А. А. Дубина, Е. О. Тагунова

Днепропетровский национальный университет имени О. Гончара, Днепропетровск, Украина

МАРГАНЕЦ В ПРИРОДНЫХ И ИСКУСТВЕННЫХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ СТЕПНОЙ ЗОНЫ УКРАИНЫ

Марганец – химический элемент, который относится по концентрации в биообъектах к элементам следовым или микроэлементам.

Учение о микроэлементах является достижением ХХ века, хотя и ранее было известно о значении малых количеств ряда химических элементов для растений. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что для роста и развития растений, получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур требуется обязательное присутствие в любой питательной среде, в том числе и почве, достаточного количества многих химических элементов, присутствующих в микроконцентрациях, в первую очередь B, Mn, Co, Cu, Mo, I.

Эпохальное значение в учении о следовых элементах имели работы
В. И. Вернадского, создателя науки геохимии, показавшего тесную химическую связь между составом организмов и окружающей средой, роль биопроцессов в круговороте веществ в биосфере и земной коре. Идеи В. И. Вернадского получили плодотворное развитие в работах А. П. Виноградова, П. А. Власюка, В. В. Добровольского, М. А. Глазовской, В. В. Ковальского, В. А. Ковды и др.

Обширные и разносторонние исследования состава организмов
А. П. Виноградовым позволили установить средний минеральный состав живого вещества и классифицировать элементы на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Классификация химических элементов, предложенная
А. П. Виноградовым, широко используется в разных отраслях знаний. Однако, первоначальный её смысл, связанный с составом живого вещества, не выдерживался и термин «микроэлементы» часто заменяли другими: «следовые», «малые», «редкие», и «рассеянные элементы», отражающими только концентрацию элемента. В последнее время в публикациях по охране окружающей среды стали использовать термин «тяжелые металлы» – элементы, имеющие атомную массу более 50 и содержащиеся в количествах, превосходящих природные кларки.

В 60 гг. ХХ века актуальными вопросами стали локальное (импактное), региональное и глобальное загрязнение биосферы тяжелыми металлами и неметаллами, поступающими в атмосферу с газопылевыми выбросами промышленных предприятий, автотранспорта и авиации. На данное время известно, что при локальном загрязнении окружающей среды вблизи предприятий и автодорог в почве может накапливаться в 10–100 и более раз большее количество микроэлемента, по сравнению с содержанием его в почве природного ландшафта. Такое содержание элементов нельзя относить, конечно, к микроконцентрациям.

Значительная доля тяжелых металлов, загрязняющих среду, попадает в почву. Почвенный покров служит мощным их аккумулятором. Особенно прочно фиксируют тяжелые металлы верхние гумусированные горизонты. Загрязнение почвы служит вторичным источником загрязнения приземного воздуха (пыль), природных вод, что приводит к поступлению высоких количеств ряда элементов в организмы растений, животных и человека.

Почвы обладают буферностью к негативному влиянию газопылевых выбросов, способностью сохранять удовлетворительные экологические условия для растительного покрова. Устойчивость зависит от свойств и состава почвы и тем сильнее, чем выше содержание органических веществ в ней, тяжелее гранулометрический состав, больше емкость катионного обмена и чем больше в составе почвенно-поглощающего комплекса катионов щелочноземельных элементов. Исследование этих свойств и процессов позволяет наметить пути детоксикации и рекультивации загрязненных почв.

Мониторинговые исследования содержания и закономерностей распространения микроэлементов в системе почва–растение лесных и степных биогеоценозов степной зоны Украины сотрудники комплексной экспедиции ДНУ имени О. Гончара в условиях Присамарского стационара выполняют с 1964 года. Необходимость изучения тяжелых металлов была связана, прежде всего, с созданием в степной зоне устойчивых и долговечных лесных насаждений, с подбором древесных пород для этих насаждений. Предполагалось получить характеристику микроэлементов по содержанию в разных лесорастительных условиях и в конкретных древесных породах, составляющих будущий искусственный лес, а также использовать микроэлементную характеристику в качестве фоновой для определения загрязнения металлами окружающей среды на Днепропетровщине.

Выбор фона как точки отсчета при исследовании загрязнения имеет очень важное значение, так как от этого зависит адекватность оценки степени изменения содержания тяжелых металлов в объекте исследования. В настоящей работе объектом исследования были почвы искусственных и естественных лесных биогеоценозов Присамарского стационара в пределах приводораздельно-балочного и долинно-террасового ландшафтов. В почвах, растениях, опаде и лесной подстилке изучено и определено содержание, закономерности распространения, скорость биокруговорота химического элемента 3-й категории опасности – Марганца. Марганец в малом количестве играет огромную биологическую роль в жизни растений, в большом – угнетает их.

Марганец в почвах и почвообразующих породах биогеоценозов долинно-террасового ландшафта. Исследовались почвы на содержание Марганца (валовые формы) в биогеоценозах долинно-террасового ландшафта прирусловой поймы р. Самары и р. Орели, где находятся почвы пойменно-лесные малогумусные, сильновыщелоченные, супесчаные, слоистые на аллювиальных отложениях; почвы центральной поймы – лугово-лесные, среднегумусные, средневыщелоченные, среднесуглинистые на аллювиальных отложениях; почвы притеррасья – лесо-луговые и луговые черноземовидные, болотно-лесные, малогумусные, суглинистые на аллювиальных отложениях; почвы вторичных речных террас – дерново-боровые и дерново-степные, малогумусные, сильновыщелоченные, песчаные.

Исследованные почвы и почвообразующие породы лесных биогеоценозов долинно-террасового ландшафта существенно различаются по содержанию Марганца. Наибольшее его количество содержат глинистые почвообразующие породы (615 мг/кг породы), песчаные породы являются самими бедными по содержанию данного элемента (53 мг/кг), суглинистые аллювиальные отложения характеризуются содержанием Марганца равным
327 мг/кг, а супесчаные – 180 мг/кг породы. В почвах долинно-террасового ландшафта данный элемент наиболее интенсивно аккумулируется в поемных местообитаниях в лугово-лесных и болотно-лесных почвах центральной и притеррасной поймы (870–891 мг/кг); наименее – в пойменно-лесных аллювиальных почвах прирусловья (182 мг/кг) и дерново-боровых почвах аренных лесов – 102 мг/кг.

Распределение Марганца в профиле лесных почв зависит от сочетания и выраженности механической, гидрогенной и биогенной аккумуляции элемента и отличается большим разнообразием. По распределению Марганца по глубине почвенного профиля исследованные почвы можно разделить на две группы:
1 – почвы, где наблюдается биологическая аккумуляция Марганца в верхнем горизонте (пойменно лугово-лесные черноземовидные почвы); 2 – почвы, для которых характерно накопление Марганца в иллювиальном слое 20–30 см (лугово-лесные солонцово-солончаковые почвы).

Установлена корреляционная связь содержания Марганца с фракцией физической глины (r=0,6, n=57) и органическим веществом почвы (r=0,7–0,9, n=57). Содержание подвижных форм (вытяжка 1 н HCl) данного элемента в исследованных почвах варьируется от 3,6 до 23,0 мг/кг. Минимальное количество подвижного Марганца найдено в пойменных лугово-лесных почвах, максимальное – в дерново-боровых почвах арены.

Марганец в почвах и почвообразующих породах лесных биогеоценозов приводораздельно-балочного ландшафта. В пределах приводораздельно-балочного ландшафта степной зоны относительно широкое распространение получили естественные байрачные широколиственные леса, искусственные насаждения и степные целины. Микроэлементы определялись в почвах естественных лесов байраков южного и северного вариантов, искусственных биогеоценозов и разнотравно-типчаково-ковыльной степи.

Под лесной растительностью в верхней части склонов байраков формируются смытые черноземы лесные, в нижней части – делювиальные, в тальвеге – преимущественно почвы лугового типа почвообразования, и в устьях балок лугового и болотного типов. Под искусственными насаждениями разного типа в условиях приводораздельно-балочного ландшафта образуются черноземы обыкновенные лесоулучшенные. К байрачным лесам А. Л. Бельгард относит также дубравы, покрывающие склоны коренного берега реки – «пристены», под которыми формируются черноземы лесные.

Почвообразующие породы байрачных лесов северного и южного вариантов по содержанию Марганца относительно близки – 695–834 мг/кг породы, коэффициент вариации 43–48%, соответственно. Такое распределение Марганца в почвообразующих породах в значительной степени сказывается на его содержании в сформированных на этих породах почвах.

Среднестатистические данные о пределах варьирования количественного содержания Марганца в почвах естественных и искусственных биогеоценозов показывают, что в черноземах обыкновенных содержится 457–595 мг/кг данного элемента. Повышенное содержание Марганца обнаружено в черноземе обыкновенном лесоулучшеном (763 мг/кг). Высоким содержанием Марганца характеризуются почвы лугово-лесные и лугово-лесные засоленные
(1031–1054 мг/кг). Чернозем лесной в байраках северного варианта отличается более низким содержанием Марганца по сравнению с аналогичными почвами байраков южного варианта.

Чернозем лесной байрачных лесов богаче Марганцем, чем чернозем обыкновенный степных целин. Это свидетельствует о большой средопреобразующей роли леса в степи и о существовании биогенной аккумуляции Марганца почвами леса.

Распределение Марганца по глубине почвенного профиля в почвогрунтах. В черноземе обыкновенном обнаружено относительно равномерное убывание содержания Марганца по профилю с максимумом в гумусовом горизонте – К_СПП = 1,25; в черноземе обыкновенном лесоулучшенном – К_СПП =2,1; в черноземе лесном (средняя треть склона) – К_СПП = 1,18; в лугово-лесных – К_СПП = 1,34.

Склоны балки представляют собой большое многообразие местообитаний в зависимости от террасообразования, крутизны склонов и их экспозиции. Крутизна склонов становится более пологой при перемещении от вершины к устью балки. Дно (тальвег) балки отличается более обильным увлажнением и постепенным понижением условных отметок продольного профиля от вершины к устью. Микроклимат в любой балке резко различается в зависимости от экспозиций. Микроклиматические условия дна балки (байрака) формируют разные типы растительности. Разнообразие типов растительности и соответствующих типов микроклиматических, гидрологических и петрографических условий в балке порождает пестроту в формировании почвенных разностей, вариабельность в содержании микроэлементов (тяжелых металлов) в почве в границах балки.

Исследовалось содержание Марганца в почве байраков северного («Долгий») и южного («Войсковой») вариантов. Абсолютное содержание Марганца в почвогрунтах биогеоценозов байрака «Войсковой» варьирует в интервале 640–1460 мг/кг пробы. Относительное содержание Марганца в почвогрунтах названого байрака свидетельствует о том, что данный микроэлемент значительно аккумулируется в верхнем гумусированном горизонте чернозема лесного, очевидно, за счет ведущего биогенного фактора из трех влияющих на его накопление: механическая денудация, выщелачивание и биогенная аккумуляция.

Сравнение экспериментальных данных по содержанию количества Марганца в гумусовом почвенном слое лесных биогеоценозов байрака «Войсковой» и почвообразующей породе северных и южных склонов свидетельствует о повышенном содержании исследуемого следового элемента (К_СПП =1,2–1,5) в почвах северного склона по отношению к его содержанию в почвах южного склона (К_СПП = 1,0–1,1).

Аналогичные коэффициенты рассчитывались для почв лесных биогеоценозов байрака северного географического варианта. Среднестатистические расчетные данные для байраков южного и северного вариантов свидетельствуют о значительном варьировании К_СПП в черноземе лесном в границах приводораздельно-балочного ландшафта.

Выводы. В итоге можно отметить, что содержание и распределение Марганца в профиле почв лесных биогеоценозов долинно-террасового и приводораздельно-балочного мезоландшафтов юго-востока степной зоны Украины при идентичных почвообразующих породах зависит от типа биогеоценоза и его местонахождения в ландшафте.

Распределение Марганца в профиле чернозема обыкновенного убывает относительно содержания элемента в верхнем гумусированном горизонте; в черноземе обыкновенном лесоулучшеном распределение тяжелого металла аналогично распределению в профиле чернозема обыкновенного, но с более высокой аккумуляцией элемента в верхнем гумусированном почвенном слое.

На формирование профильного распределения Марганца в черноземе лесном (на склонах байраков) существенное влияние оказывает механическая денудация и биогенная аккумуляция; в лугово-лесных почвах тальвега к двум независимым факторам присоединяется третий – гидрогенный. В зависимости от степени действия этих факторов, их сочетания и ведущего положения одного из них лугово-лесные почвы и чернозем лесной характеризуются: аккумуляцией элемента (К_СПП > 1), отсутствием перераспределения (К_СПП = 1) и выносом (К_СПП < 1).