Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ИОННЫЙ ОБМЕН И МИГРАЦИЯ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА—РАСТЕНИЕ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ИОННЫЙ ОБМЕН И МИГРАЦИЯ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА—РАСТЕНИЕ"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

На правах рукописи УДК 631.416.8

ШУТОВ Владимир Николаевич

ИОННЫЙ ОБМЕН Н МИГРАЦИЯ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА —РАСТЕНИЕ

06.01.03— ПОЧВОВЕДЕНИЕ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ЛЕНИНГРАД— 1982

Работа выполнена в Ленинградском научно-исследовательском институте радиационной гигиены Минздрава РСФСР

Научные руководители: кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ДРИЧКО В. Ф.

кандидат химических наук, старший научный сотрудник ПОПОВ Д. К

Официальные оппоненты: доктор биологически\ наук, профессор ТИХОМИРОВ Ф. А. капдндат химических наук, доцент КАРПУХИН А. И.

Ведущая организация— Всесоюзный научно-исследовательский институт ссл1>ско>;оз явственной радиологии МСХ СССР

Защита диссертации состоится « 4 1982&г. на засе-

дании специализированного совета по лочвоведенико в МГУ им. М. В. Ломоносова в малой аудитории зоны «Д* факультета почвоведения.^

С диссертацией можно ознакомиться а библиотеке факультета почвоведения МГУ им. М. Б. Ломоносова.

Приглашаем Вас приняи, участие в обсуждении диссертации на заседании специализированного совета по почвоведению в МГУ им. М. В. Ломоносова. Отзывы на автореферат в двух экземплярах просим направлять по адресу: 117234, Москва, В-234, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

Автореферат разослан « & » ^сви^У Ученый секретарь

специализированного сонета БАБЬЕВА И. П.

Актуальность пройдены. Исследование миграции щелочноземельных элементов в системе почва-растение является актуальным как для почвоведения, так и для радиоэкологии, поскольку са, -основные катионы почвенного поглощающего комплекса и вахнейине компоненты минерального питания растений, а радиоактивные изотопы щелочноземельных элементов - 9°зг И 22бйа относятся к наиболее радиацнонно-эначимым и миграцнонноспособным в биосфере. Имеющиеся исследования не дают достаточно полного количественного представления о взаимосвязи поведения всех целочиоэемельиых

элементов в системе почва-растение, а касаются, в основном, по*

ведения 90дг н его олижайиего. аналога - Са. Если проблемы почвенной химии и радиоэкологии 90Эг в настоящее время считают практически решенными, ю вопросы оценки и прогнозирования миграции 22бпа иэ почвы в растение традиционными для прогнозирования миграции 90зг, или новыми методами, еще не выяснены.

Изучение поведения химических элементов в системе почва-растение связано со значительными трудностями, главные из которых -многокомпонентное» системы почва-растение, полифункциональность и полидисперсность почвы как сорбента, многообразие типов почвы н произрастающей на ней растительности. Синим иэ перспективных путей преодоления имеющихся трудностей является, по-нашему мнению, изучение миграции не отдельных элементов, а групп элементов-аналогов и установление общих зависимостей параметров миграции всех элементов-аналогов от таких определяющих их поведение в системе почва-растение факторов, как свойства почвы и физико-химические свойства элементов.

Цель исследования заключается в том, чтобы на основании сравнения особенностей распределения щелочноземельных элементов

в системе почва-растение выявить общие закономерности сорбции (ионного обмена) Са, Зг, Ба, Иа почвами, закономерности их перехода из почвы в растение и оценить возможность прогнозирования выноса тяжелых щелочноземельных элементов урожаем по выносу их аналогов.

Задачи исследования г

1. Определение количественных характеристик распределения с&, Зг, Ва, йа между твердой и жидкой фазами почвы и термодинамических характеристик прочности связи щелочноземельных элементов с почвой.

2. Установление роли ионного обмена во взаимодействии щелочноземельных элементов с твердой фазой почвы.

3. Выявление факторов, влияющих на сорбции каждого из щелочноземельных элементов почвой, на накопление их растениями и оценка степени значимости этих факторов.

4. Установление связи параметров накопления щелочноземельных элементов растениями с параметрами ионообменной сорбции этих элементов почвами и разработка на основе этой связи метода прогнозирования .выноса щелочноземельных элементов и их радиоактивных изотопов урожаем сельскохозяйственных растений.

Научная новизна. Обоснована возможность использования изотопов а5дг, как радиоактивных индикаторов для изучения миграции щелочноземельных элементов в системе поч-ва-растенке, Изучены закономерности статической сорбции всех щелочноземельных элементов пахотными горизонтами дерново- подзолистых и черноземных почв. Впервые получены термодинамические характеристики прочности связи радия и его аналогов с почвами. Показана применимость упрощенной формы уравнения ионного обмена

Никольского Б.П. для количественного описания миграции щелочноземельных элементов в системе почва-растение. Исследована зависимость параметров сорбции всех щелочноземельных элементов почвами к параметров накопления их растениями от основных свойств почвы и физико-химических характеристик ионов элементов, впервые получено уравнение, связывающее коэффициенты накопления растениями элементов-аналогов с термодинамическими параметрами ионообменной сорбции этих элементов почвами, дающее возможность прогнозирования накопления любого из щелочноземельных элементов (и их радиоактивных изотопов) растениями.

Практическая значимость. Предложен новый способ оценки накопления щелочноземельных элементов растениями на основе параметров накопления одного из них растениями и констант обмена элементов в системе почва-раствор. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования поступления тяжелых щелочноземельных элементов и их радиоактивных изотопов в урожай сельскохозяйственных культур, для нормирования концентрации

рл£

Ка в фосфорных удобрениях, для оценки доз облучения населения за счет и 22бЕа.

Результаты исследования вошли в утвержденные Минздравом РСФСР методические рекомендации для радиологических групп санитарно-эпидемиологических станций по определении концентраций 22бйа в различных объектах внешней среды, в том числе в пробах почв,и растений.

Часть результатов опубликована в материалах Национальной Комиссии по Радиационной Защите при Минздраве СССР и использована для оценки доз облучения население естественными радионуклидами.

Материалы работы используются в курсе лекций по сельскохозяй-

ствеяной радиобиологии на кафедре агрохимии Ленинградского Сельскохозяйственного института.

Теоретическое значение* полученные на основе положений Периодического закона и теории ионного обмена количественные соотношения между щелочноземельны!«! элементами при их переходе на почвы в растение дополняют современные теоретические представления о миграции химически! элементов в биосфере.

Объем работы. Работа состоит из введения, обзора литературы, трех глав с материалами собственных исследование» заключения, выводов и списка использованной литературы» включающего 165 наименований отечественных и 40 зарубежных авторов. Диссертация изложена на 187 страницах мавинописного текста, включая 29 рисунков, 37 таблиц н список литературы.

¿пробасил работы, диссертация рассмотрена и рекомендована к защите на заседании кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова в феврале 1982 г. Материалы диссертации обсуждались на конференции по радиационной гигиене (1975 г., Ростов-на-Дону), на симпозиуме "Количественные критерия накопления радионуклидов биологическими объектами" (1977 г., Тбилиси), на координационном научно-методическом совещании "Задачи и перспективы развития исследований в области радиоэкологии почвенно-растительвого покрова" (1978 г.( Москва), на секции радиационной гигиены Всероссийского научного общества гигиенистов и санитарных врачей (1979 г., Ленинград), на I Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной радиологии (1979 г., Обнинск), на совещании Совета по сельскохозяйственной радиологии при президиуме ВАСХНИЛ (1980 г., Москва).

рубяикащщ. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основными материалами для исследований служили дерново-подзолистые и черноземные почвы (41 образец)» свойства которых варьировали в пределах: емкость поглощения (Е) 2,0-56>5 мг-экв/ 100 г; сумма концентраций обменных Са и Mg (s) 1,9-55,4 мг-экв/ЮО г; концентрация обменного Са fea] 1,7-53,0 мг-экв/100 Г{ содержание гумуса (С) 0,3-8,4 рН водной вытяжки 4,58-7,90-

В работе использованы методы агрохимического, радиохимического, гамма-спектрометрического, радиометрического анализов; агрохимические методики постановки вегетационных и проростко-вых опытов; методы статистической обработки результатов.

В качестве радиоактивных индикаторов щелочноземельных элементов примененное^ 85sr( 90sГ( '•ЭЗз^ г2бва» Сорбцию щелочноземельных элементов почвами изучали в статических условиях* В зависимости от цели исследования использовали либо естественные образцы почв, либо моиофорш почв, то есть препараты почв, специально насыщенные одним из щелочноземельных элементов»

для количественной характеристики сорбции Са, Sr, в& и Ra почвами использовали величину коэффициента распределения равну» отношению концентраций элемента в твердой и жидкой фазах. Для установления факта равновесного распределения элемента между твердой и жидкой фазами почвенных суспензий использовали два метода: метод подхода к равновесным значениям с двух сторон и метод снятия кинетических кривых сорбции и изотопного обмена.

Для характеристики относительной прочности связи щелочноземельных элементов с монофорыаыи почв определяли термодинамические параметры ионообменной сорбции Ra и его аналогов - кон-

станты обмена:

0,5 Й • N

% и ----(I)

м • 1Г

( й, н _ концентрации обменивающихся ионов в твердое фазе; м,н -концентрация обменивающихся ионов в жидкой фазе) и величины изменения свободных энергий ионообменных реакций.

для сравнения параметров миграции Са, гг, Ва, На в системе почва-растение были поставлены опыты, в которых экспериментально определены коэффициенты накопления (КН) щелочноземельных элементов растениями моркови (в течение периода вегетации) и проростками пиеницы, а такхе коэффициенты дискриминации (КД) одних элементов относительно других:

кя«-?т Са) «м™ С3)

щ П ""М

С мр»Ип - концентрации элемента в растении и почве соответственно). Статистическая обработка результатов выполнена ЭВМ "Наири-2".

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

I. Закономерности сорбции щелочноземельных элементов почвами

Исходя из того, что в растворах существуют, как правило, катионы щелочноземельных элементов н что почва является природным ионообменником (ионообменными свойствами обладает и корневая система растений), можно выделить два главных процесса, которые

должны быть изучены для понимания миграции Са, Зг, Ва н На в системе почва-растение. Инн являются: сорбция и ее частный случай - ионный обмен» Так как почва - сложная полифункциональная и полидисперсная система, то поглощение химических элементов ее твердой фазой определяется совокупностью многих факторов, основные из которых "заданн" физико-химическими свойствами элементов к свойствами почвы.

к а щелочноземельных элементов между твердой и жидкой фазами каждой иэ 41 использованных в работе почв увеличиваются в ряду: Са-Эг-Ба-На. Величины Кд варьируют в пределах :к<1 Са «3,0-98,0 мл/г; ка Эг -16,2-288,4 мл/г; кд Ва =№,0-988*0 мл/г; ка йа-.57,2-1990,0 мл/г. щелочноземельных элементов в черноземных почвах выше, чем к4 элементов в дерново-подзолистых почвах.

Механизм сорбции щелочноземельных элементов почвами идентичен, поскольку идентичен характер влияния различных свойств почвы на величины к<1 каждого из элементов. Об этом же свидетельствует достоверная положительная корреляция (коэффициенты корреляции 0,791-0,961) между величинами са, Эг, Ва и ца в системе почва-раствор. Свойства почв по силе их влияния на любого из щелочноземельных элементов располагаются в ряд: [са] > > (содержание физической глины) >с ^рН.

Качественное сходство и количественные различия в поведении щелочноземельных элементов в системе почва-раствор явно проявляются при анализе уравнений регрессии, связывающих Кй щелочноземельных элементов с основными свойствами почв (табл.1): сходство подтверждается одинаковым видом уравнений, связывающих ка разных элементов со свойствами почв, различие проявляется в неравенстве частных коэффициентов регрессии в этих уравнениях.

Таблица I уравнения регрессии для расчета Kd щелочноземельных элементов в почвах

Элемент Уравнения регрессии Коэффициент предсказания Кпр

Са ST.S.iS)0»64^^)-1'39-^)0'41 0,842

Sr Kd ' 91t1-(S)°'70*(pH)-1i°3.(C)0'27 0,838

Ва ка - 157,6.(S)0'80.^)-0«®6.^)0»19 0,815

Rft Kd - 171,7*(S)0'82-(pHr°*64*(C)0'14 0,832

Рис.1. Зависимость Kd Не (а) и Sr (б) в системе почва-раствор от концентрации в растворе Ва2+<1), Зг2+(2), Са2+<3), Mg2+(4).

Количественное различие в степени влияния некоторых свойств почвы на поглощение щелочноземельных элементов характеризуется также величинами коэффициентов множественной корреляции, которые является мерой тесноты сложной связи между с&, 5г, Ва, На и совокупность!) свойств почвы, эти коэффициенты увеличивается в ряду: (0,650*0,014) Са - (0,740*0,011) Эг - (0,800*0,009) Ва (0,785*0,009) н«» что связано с увеличением в аналогичном ряду сродства элементов к почвенному поглощающему комплексу.

Справедливости полученных результатов не уменьшает тот факт, что они получены в опытах по распределение элементов в суспензиях почв, а не в естественных условиях, так как в работе показано, что всех щелочноземельных элементов между фазами почвы изменятся с уменьшением влажности по одному закону.

результаты изучения сорбции щелочноземельных элементов моноформами почв дали возможность ответить на вопрос о превалирующем механизме этого процесса. Кд Са, Зг, Ва и Да в равной степени уменьшались при увеличении концентрации конкурирующих ионов в растворе (рис.1), а полученные изотермы сорбции удовлетворительно описывались уравнением Никольского Б.П. (I), что однозначно свидетельствует о преобладающей роли ионного обмена в процессах сорбции щелочноземельных элементов почвами.

Уравнение (I) является несколько упрощенным, так как в нем отсутствуют отношения коэффициентов активности обменивающихся ионов в твердой и жидкой фазах. Однако считается, что при обмене двух ионов, один из которых присутствует в микроколичествах, эти отношения постоянны и близки К I.

Относительно смысла констант обмена, рассчитываемых по упрощенному уравнению (I), не существует единого мнения: одни счи-

таят их истинными термодинамич ескипи константами обмена, другие отрицают применимость упрощенных форм уравнения Никольского Б-П. для расчета термодинамических констант обмена ионов в таких сложных полифуикциональных ионитах, как почвы, при непостоянной ионной силе растворов. Результаты настоящей работы подтверждают первое мнение, поскольку:

1. Тангенсы углов наклона изотерм обмена щелочноземельных элементов между твердой и жидкой фазами почвенных суспензии близки, в соответствие с теорией, к I (рис.1), а величины термодинамических параметров обмена сохраняет постоянные значения при различных концентрациях конкурирующих ионов в растворе (0,005-1,0 мг-экв/мл).

2. Ионообменные реакции щелочноземельных элементов в системе почва-раствор являются обратимыми.

3* Константы изотопного обмена щелочноземельных элементов в почвах, рассчитанные по уравнению (I), близки к I*

Относительную термодинамическую устойчивость сорбцконных соединений химических элементов с почвенным поглощающим комплексом характеризует величина сорбционные соединения Ка с почвенамм погдоцащим комплексом всех почв более устойчивы, чем сорбционные соединения аналогов Не, которые по степени прочности связи с почвой образуют "нормальный" ряд селективности: Ы£<0а<5г<Ва. В случае обратимых ионообменных реакций

можно рассматривать не только как разность энергий, характеризующую относительную прочность связи двух химических элементов с почвой, но и как энергию, необходимую для десорбции иона из твердой фазы в раствор,- следовательно, величина лв в определенной степени характеризует возможность перехода эле-

мента из почвы 8 почвенный раствор, а затем я в корни растений, и значит представляет интерес для прогнозирования миграции химических элементов из почвы в растение.

Наряду со специфической ролью корневой системы растений (по-видимому, также обменно—сорбционного характера), именно де является причиной дискриминации элементов при переходе их из почвы в растение. Подобно дискриминации Эг относительно са , в системе почва-растение в еще больоей степени долены дискриминироваться от Са и Ва, и На, так как взаимодействию пар элементов Са-Ва (дй=2,44-4,41 ккал/моль), Са-На(дв-3,41-5,97 ккал/моль) с почвами соответствуют большие аС, чем дс пары са-Зг(дС . =0,81-1,42 ккал/моль).

Термодинамические параметры ионообменной сорбции в& и его аналогов почвами изменяются параллельно свойствам конкурирующих ионов. Чем больше различие в атомных номерах (зарядах ядер, ъ ), ионных радиусах (г) , энергиях гидратации, коэффициентах поляризации (<*) конкурирующих ионов, тем большие величины ас соответствуют реакции обмена. В работе сделана попытка обобщить экспериментальный материал по термодинамике ионного обмена щелочноземельных элементов в почленных суспензиях с целью получения общих закономерностей изменения параметров ионного обмена в зависимости от свойств элементов-аналогов. Основанием для такого обобщения служит Периодический закон, согласно которому поведение элементов-аналогов в любых системах должно подчиняться общим закономерностям, а свойства соединений элементов-аналогов являются прямой или обратной функцией г и связанных с ъ характеристик, результаты такого обобщения могут способствовать прогнозированию характера распределения элементов-аналогов в

почвенно-растительном покрове.

В работе показано, что дО (1е К^ „) ионообменных реакций Са, Зг, Ва и На в почвах практически линейно связаны с г и о< ионов (рис.2), что вполне соответствует некоторым теоретическим представлениям о селективности лонного обмена.

Существенно, что аналогичным зависимостям подчиняются не только параметры ионного обмена щелочноземельных элементов, полученные в модельных опытах с моноформами почв, но и параметры сорбции Са, Зг, Ва и Ва естественными образцами почв. Периодическими функциями свойств ионов являются и частные коэффициенты регрессии эмпирических уравнений для оценки сорбции щелочноземельных элементов почвами (табл.1), при этом, наиболее близки к линейным зависимости коэффициентов регрессии (х^) от V? и г3. Это дает возможность представить частные коэффициенты регрессии В виде произведений XI» х^.Уг1 (х^- х|*. Г3) и получить общее уравнение регрессии, связывающее любого

из щелочноземельных элементов и свойства почв: 4 р

Удовлетворительное совпадение (различие не более 50 $) фактических Кд Са, Зг, Ва и на в почвах и .вычисленных по уравнении (4), наблюдается в 77 % случаев, а коэффициенты предсказания (коэффициенты корреляции между фактическими и вычисленными величинами) имеют достаточно высокие значения.

Обобщение результатов исследований термодинамики ионообменной сорбции щелочноземельных элементов почвами, проведенное в

работе, имеет упрощенный характер, так как в нем не учитываются различного рода специфические взаимодействия между ионами, возможные в системе ионит(почва)-раствор. Кроме того, с позиций строгой термодинамики, подход, учитывающий лишь линейные свойства сорбируемых ионов (в частности,- г ) и не учитывающий их энергетические свойства ( аН°, лЗ», гидратации), яв-

ляется ограниченным, поскольку по современным представлениям селективность ионного обмена связана с процессами гидратации-дегидратации ионов при их взаимодействии с твердой фазой иони-та (почвы). Однако, неизученность термодинамики в вод-

ных растворах является существенным препятствием для строгого термодинамического описания ионного обмена всех щелочноземельных элементов в почвах. Тем не менее) полученные эмпирически зависимости между параметрами сорбции щелочноземельных элементов почвами и свойствами.их ионов могут иметь практическое значение для прогнозирования поглощения почвами одних элементов или радионуклидов, исходя из известных сведений о поглощении почвами их аналогов. Поскольку.миграционная способность химических элементов зависит от прочности их связи с почвой, поскольку переход Са, Эг, Ва, На из почвы в почвенный раствор, а затем в растение можно рассматривать как последовательность обменно-сорбционных реакций, появляется также возможность прогнозирования их концентраций в растениях.

2. Закономерности поступления щелочноземельных элементов из почвы в растение

Коэффициенты накопления щелочноземельных элементов пророст-

камя пшеницы варьировали (в зависимости от типа почв) в пределах: -1,22-15,60ï KHSr =0,70-7,90; КНВа =0,22-1,20; KHRa = >0,03-0,96* Во всех опытах КН щелочноземельных элементов, как и следовало ожидать, образуют ряд, обратный ряду селективности этих элементов в системе почва-раствор: КН_ > КН0 > КН^ .

> о I* jja ла

Это еще раз доказывает, что основным фактором, определяющим поступление химических элементов в растение, является прочность их связи с почвой: чем больне прочность связи с почвой, тем меньше величина КН. Отсюда естественно, что свойства почв по' степени влияния их на Кб элементов растениями располагаются в ряд,аналогичный ряду влияния этих свойств на Kd элементов между твердой и жидкой фазами почвы, а между Kd и КН отмечена достоверная отрицательная корреляция.

Подобно отмеченной ранее идентичности распределения щелочноземельных элементов в системе почва-раствор, установлена идентичность распределения этих элементов в системе почва-растение. Аналогичный механизм миграции всех щелочноземельных элементов из почвы в растение подтверждается тесной коррелляцией (коэффициенты корреляции 0,826-0,965) между КН этих элементов.

Как и ожидалось, исходя из термодинамики ионного обмена щелочноземельных элементов в системе почва-раствор, КД ca-Si- < КД Св-Ва<1Ук:а-Ка * Параметры накопления щелочноземельных элементов растениями, также как и параметры сорбции этих элементов почвами, являются периодическими Функциями свойств ионов элементов (рис.2), причем зависимости в координатах ig КН( 15КД) - г, lg КН( 1йКД) - близки к линейным. Такие зависимости могли бы быть предсказаны логически, если условно включить растение в состав жидкой фазы и провести аналогию между системами

Рис.2. Зависимость 1е м в дерново-подзолистых (I) и черноземных (2) почвах и 1е КН щелочноземельных элементов проростками пшеницы от зарядов ядер 2 (а), ионных радиусов г (б) и -поляризуемостей ИОНОВ оС(в).

почва-раствор и почва-растение. Тогда величина КН химического элемента растением будет иметь смысл к4 , а величина КД -смысл константы обмена,- тем более, что все эти величины имеют ¿дну и ту хе природу, так как в каждой из них содержатся только концентрации химических элементов в той или иной фазе системы почва-раствор-растение. Единственным условием правомочности такой аналогии является предположение о том, что миграция щелочноземельных элементов в системе почва-растение обусловлена ионным обменом. С другой стороны, наличие таких зависимостей может служить доказательством лимитирующей роли ионного обмена в миграции Са, Зг, Ва, Иа из почвы в растение.

Таким образом, есть все основания полагать, что между параметрами кн м и КН, КД существует связь. Так, величины КД Зг, Ва и относительно Са при переходе их из почв в проростки пшеницы коррелируют (коэффициент корреляции -0,876) с величинами дБ ионообменных реакций этих элементов в почвах. Кроме того, можно отметить, что графики функций КН( г, г, с*)» 1е Кд ы ( 2, г, сх ) обладают некоторой симметрией относительно осей, на которых отложены величины г, г, с* (рис.2), что также позволяет утверждать о наличии связи между этими функциями.

для того, чтобы найти связь между параметрами и КНц,

КНм , характеризующими распределение щелочноземельных элементов-аналогов в системе почва-растение, предположим следующее:

1) Распределение щелочноземельных элененгов между почвой и раствором и поступление этих элементов из почвы в растение определяется только ионным обменом;

2) Существует такой параметр ( %, оО, зависимость от которого Э^ К^. и линейна:

1в ♦ ь^ - 2М) (5)

где Ъ1 - угол наклона прямой (5) к оси г ( г, ос);

3) Зависимость 1е КН элементов от этого *е параметра линейна:

1еКНд - 1еКНм - - йц) (б)

где ь2 - угол наклона прямой (б) к оси ъ (г, оО.

Положения 2) и 3) строго выполняются только для отдельных пар элементов. Однако, исходя из графического анализа экспериментальных материалов (рис.2), согласно которому и 1е к^ м и 1е КН изменяются в зависимости от г, г, ы линейно или, по крайней мере, идентично, можно распространить эти положения и на вся группу щелочноземельных элементов.

Совместное решение уравнений (I), (2), (5) и (6) дает соотношение, связывающее КН растением двух элементов-аналогов с константой обмена этих элементов в почве:

"Ч» - **ж ' «Й^1 С7)

Показано, что при выполнении условий I), 2)« 3) отнопенне Ь2/Ь-, »0,5. Графически это означает, что углы наклона прямых (5) и (6), характеризующих зависимости 1е % ц и 1в КН от г, с* (рис,2), должны различаться в 2 раза.

Сравнение величин КН Ва, Эг и На , рассчитанных по уравнению (7), с фактическими КН показало их удовлетворительное совпадение в 57 % (проростки пшеницы) и 60-67 # (корни а листья моркови) случаев. Величина отношения Ьг/ъ1 , входящего как показа-

тель степени при в уравнение (7), рассчитанная с помощью

полученных в эксперименте величин КН И Ки м , хорошо согласуется с величиной, предсказанной теоретически (Ъ2/ь1 =0,5): Ъ2/Ъ1 > =0,43*0,13 (по результатам опытов с проростками пшеницы) и ь2/ь1 =0,53*0,12 (по результатам вегетационных опытов).

Таким образом, эмпирически найденное значение показателя степени ПРИ % к близко к предсказанному, несмотря на

то, что при выводе уравнения -(7) учитывался лишь ионообменный

||

механизм миграции щелочноземельных элементов и не учитывались сопутствующие ему процессы.

Уравнение (7) дает возможность прогнозировать величины КН щелочноземельных элементов растениями, исходя из КН растениями их аналогов и соответствующих констант обмена этих элементов в почвах. Применимость этого уравнения для оценки перехода Са, Бг, Ва И Еа из почв в проростки пшеницы и в растения моркови (в течение периода вегетации) подтверждается высокими значениями коэффициентов предсказания (11^=0,913-0,971). Важно, что уравнение (7) применимо для расчета накопления щелочноземельных элементов столь разными культурами как пшеница и морковь и в разные периоды их развития, так как по смыслу этого уравнения характер изменения КН Са, Яг, Ва, Иа (но не абсолютных величин КН !) не должен зависеть от времени и биологических особенностей растений, выросших на одной и той же почве, а должен зависеть только от свойств почвы.

Практическое использование полученных в работе результатов возможно лишь в случае, если они применимы для оценки накопления щелочноземельных элементов не только проростками растений,-

■ ■ I

но и урожаем. Ответ на вопрос,- соответствуют ли параметры !

I

накопления Са, Зг, Ва, Ла урожаем закономерностям, которым подчиняются параметры накопления этих элементов проростками - дает табл.2: отношения КН щелочноземельных элементов из дерново-подзолистых и черноземных почв урохаем злаковых культур к КН соответствующих элементов проростками растений практически одинаковы.

Таблица 2

Отношения КН Са, 90ЗГ( Ва и 226^ урохаем злаковых культур к КН элементов проростками

элемент -^--ИСТОЧНИК

солома зерно информации

Кальций - 0,04 Андерсон И*Д., 1970. Наши данные

стронций 0,50 0,05 Гулякин И.В., Щинцева Е.В., 1973

барий 0,50 0,05 Андерсон И.А., 1970; Нави данные

радий 0,42 0,06 Наши данные

ВЫВОДЫ

I. Превалирующим механизмом распределения всех щелочно-; земельных элементов в системе почва-раствор является ионный

| обмен. Сорбция щелочно-земельных элементов почвами в присутст-

вии макроколичеств их аналогов (вплоть до концентрации I мг-экв/мл) удовлетворительно описывается уравнением ионного обмена Никольского Б.П.» несмотря на полифункциональность почвы, как ионита.

2. По прочности связи с дерново-подзолистыми и черноземными почвами щелочноземельные элементы образуют "нормальный* ряд селективности: Ме<Са< Вв<Ла, последовательность коюрого определяется, в первую очередь, физико-химическими свойствами ионов этих элементов (средние значения коэффициентов распределения Не, Ва, Эг, Се в почвах относятся как 10 : б : 2 ; I).

3. По степени доступности растениям щелочноземельные элементы образуют ряд, обратный ряду селективности ионов этих элементов относительно почв (Средние значения коэффициентов накопления Ва, 5г, Са проростками пшеницы относятся как I : 3 ; I*» : 25).

Свойства почвы по степени уменьшения влияния на параметры сорбции любого из щелочноземельных элементов располагаются в ряд: (концентрация обменного Са )> (сумма концентраций обменных Са и Мб )^(емкость поглощения)>(содержание физической глины) (содержание гумуса) (рН).

По степени влияния на накопление щелочноземельных элементов растениями свойства почв располагаются в аналогичный ряд. Фактором, определяющим накопление элемента растением, является коэффициент его распределения между твердой и жидкой фазами почвы.

5. Уравнения множественной регрессии позволяют оценивать параметры сорбции Са, Зг, Ва, йа почвами и накопление их растениями по известным свойствам почвы. Показана применимость этих уравнений для оценки коэффициентов распределения щелочноземельных элементов в дерново-подзолистых и черноземных почвах (удовлетворительное предсказание в 80-86 случаев; коэффициент предсказания 1^=0,790-0,846) и коэффициентов накопления их проростками пшеницы (удовлетворительное предсказание в 80-88 £

случаев; 1^=0,881-0,954).

6. Параметры ионообменной сорбции щелочноземельных элементов почвами и параметры их накопления растениями являются периодическими функциями свойств этих элементов: зарядов ядер, энергий гидратации ионов, их радиусов и поляриэуемостей, Установлена линейная зависимость логарифмов констант обмена щелочноземельных элементов в системе почва-раствор и логарифмов коэффициентов накопления этих элементов растениями от поляриэуемостей ионов.

7. Выведено уравнение для оценки параметров накопления щелочноземельных элементов растениями, исходя из параметров накопления растениями их аналогов и констант обмена этих элементов в системе почва-раствор. Сравнение вычисленных по этому уравнению к фактических коэффициентов накопления sr, Ва, На растениями моркови (в течение периода вегетации) и проростками пшеницы показало их удовлетворительное совпадение в 56-67 % случаев (^=0,913-0,971).

Полученное уравнение позволяет прогнозировать вынос его химических аналогов и их радионуклидов из почв урожаем сельскохозяйственных растений.

Материалы диссертации опубликованы в работах:

I, Волкова М.П., Дричко В.Ф,, Лисачекко Э.П., Михайлова O.A. Поникарова T.W., Шутов В-Б. Поступление радия-226 и его дочерних изотопов иэ почвы в растения.- в кн.: "Пути регулирования питания растений". Л—Пушкин: 1974, с. 95-100 /Записки ЛСХИ, т. 245/

2. Гращенко С.М., Дричко В.Ф., Лисаченко Э.П., Поникаро-ва Т.К., Попов Д.К., Травникова И.Г.. Шамов В.П., Шухов В.Н. Естественные радиоактивные нуклиды в пахотных почвах и фосфоросодержащих удобрениях. Ы.; Атомиздат, 1976, 32 с.

3. Шутов В.Н*, Дричко В.Ф., Попов Д.К. Зависимость констант обмена элементов вделочко-земельной группы в почве от их атомного номера*- Почвоведение, 1976, * 10, с. 122-125.

4* Попов Д.К.1 Дричко В.Ф., Шутов В.Б. Определение концентрации радия-226 по радону-222 в токе воздуха из растворов малого объема* Метод, рекоменд.: Д.; 1976, 8 с, /ЛИНИИ*/.

5* Лоскевич Л.П., Шутов В.Н., Дричко В.#., Прохоров В.Ц. Корреляционная зависимость между поступлением в растения щелочноземельных элементов и свойствами почв* Материалы I Всесоюзной коиф. по с*-х. радиологии. К.: 1979, с, 163-164.

6* Шутов В.Н.] Пенккарова Т.М., Дричко В.Ф., Попов Д.К. Поступление элементов II и У1 групп в растения из почв и водных культур. Материалы I Всесоюзной конф. по с.-х. радиологии, и.: 1979, с* 166-167.

7. Волкова М.Ц., Дричко В»$., Поникарова Т.Н., Шутов В.Н. Переход элементов из почвы в растения моркови.- В кн.: "Почвенные процессы и пути регулирования питания растений в СевероЗападной зоне РСФСР", Л.-Пушкин: 1980, с. IIГ-116 /Науч. труды ЛКИ, Т. 394/.

8* Шутов В.Н., Иоскевкч Я.П., Дричко В.Ф. О некоторых закономерностях поступления щелочноземельных элементов из почвы в растение.- Почвоведение, 1982, № 3, с. 31-36.

КПодписано к печати ¿4,06.ЯЗ.. Заказ 1462. Тирах 120 Формат бумаги 60x84 1/16. 1,5 печ.л. ' /¿«сплатно, ротапринт тип. * 2 "Ленуприздата" 191104, Ленинград, Литейный пр., дом № 55