Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование механизма взаимодействия радиоцезия и калия в системе торфяная почва - растение

ВАК РФ 03.00.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "Исследование механизма взаимодействия радиоцезия и калия в системе торфяная почва - растение"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОЖХЗЯЙСГВЕНШХ НАУК ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ РАДИОЛОГИИ И АГРОЭКОЛОГИИ

На правах рукописи

М. А. ЕФРЕМОВА

ИССЛЕДОВАШЕ МЕХАНИЗМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАДИОЦЕЗИЯ И КАЛИЯ В СИСТЕМЕ ТОКИНАЯ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

03.00.01 - радиобиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Обнинск, 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственном аграрном университете

Научные руководители: доктор биологических чау к,

профессор В. Ф. Дричко

кандидат химических наук, Т. М. Поникарона

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор^' А Тихомиров

кандидат химических наук, доцент С.В.Круглов

Ведущая организация - Агрофизический институт им. Иоффе ( Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится /¿-¿^'^/'1094 г. в_часов

на заседании Специализированного совета Д 120.81.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии (г.Обнинск, ВНИИСХРАЭ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского института сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии

Автореферат разослан "Jß" (¡Ё^Л^Л

1994 г.

Отзывы просим направлять по адресу: 249020, г. Обнинск, Калужской обл. , БНИШХРАЭ, Специализированный совет.

Учений секретарь Специализированного совета

кандидат Оиодогических наук, л / Н. И. Саижаройа

V i

л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Исследование взаимодействия радиоцезия и калия в системе почва-растение является актуальным, как для агрохимии, так и для радиоэкологии, так как калий - один из основных катионов почвенного поглощающего комплекса и' важнейший компонент минерального питания растений, а радиоактивные изотопы его химического аналога цезия относятся к наиболее радиационно значимым. Поведение в почвах Сэ, как основного долгоживущего искусственного радионуклида из числа продуктов деления, и накопление его растениями изучены весьма детально, так как во многих радиологических ситуациях <яСв рассматривается как один из основных дозообразуюших радиоактивных веществ. Однако, после аварии на ЧАЭС в 1986 году интерес к миграции И,Сэ еще более возрос; выяснилось, что несмотря на большой объем информации о поведении данного радионуклида в агросфере, ряд аспектов этой проблемы требует дальнейшего изучения.

Увеличение плодородия почвы, обогащение ее элементами питания и создание оптимального режима этого питания ведут, как правило, к снижению концентрации радионуклидов в растениях, к уменьшению общего накопления их в урожае . Однако, для разработки рекомендаций по снижению накопления радионуклидов в растениеводческой продукции необходимо изучить их поведение в почве, взаимодействие радионуклидов с их элементами-аналогами, используемыми агрохимией в качестве минеральных удобрений.

Состояний изученности вопроса Закономерности поведения искусственных радионуклидов в системе почва-растение изучались в нашей стране и за рубежом, в основном на минеральных почвах (черноземах, дерново-подзолистых, серых лесных). На загрязненных после Чернобыльской аварии почвах довольно большая доля (25-20 %) приходится на торфяные■почвы, занятые под луго-во-пастбишные и кормовые севообороты. Исследование поведения радионуклидов в торфяных почвах и закономерностей накопления их растениями из торфяных почв еще далеко от завершения.

Цель исследования. Изучить закономерности накопления радиоцезия многолетними травами из торфяных почв, оценить влияние калийных удобрений на накопление и вынос радиоцезия травами. На основании полученных данных дать теоретический анализ взаи-

3

моде Латвия калия и радиоцеэш в системе торфинаи почва -растение.

Задачи исследования.

1. Определить количественные параметру взиимодейсшы радиоцезия и калия в системе торфяная почва-растение и полевом и вегетационных опытах.

2. Определить экспериментально и дать теоретический анализ зависимости коэффициентов накопления радиоцезия растениями от концентрации калия в торфяной почве.

3. Оценить интенсивность накопления злементсв-ананогов (калий-цезий) растениями в зависимости от скорости роста растений. _ .

Научная новизна и теоретическое значение.

1. Впервые экспериментально показано наличие дну;: последовательных стадий взаимодействия калия и радиоцезия в системе торфяная почва - растение. По-видимому, на первой стадии коэффициенты накопления формируются за счет взаимодействия калия и цезия на границе раздела фаз почвенный раствор - почва, на второй стадии - на границе почвенный раствор - корневая система.

2. Впервые получена аналитическая зависимость, подтвержденная в эксперименте, между концентрацией (или коэффициентом накопления) радиоцезия в растении и разностью констант скоростей роста растений и выноса радиоцезия растениями.

3. Обнаружено явление инверсии . коэффициентов накопления: йвенильние растения интенсивнее поглотают радиоцевий на почвах с большей концентрацией калия, взрослые растения на этом же фоне имеют более низкие коэффициенты накопления, чем при меньших концентрациях калия в почве.

Полученные на основе положений теории ионного обмена количественные соотношения между калием и радиоцезием при их переходе из почвы в растение дополняют современные теоретические представлений о взаимодействии химических элементов в агроце-ноэе.

Основные положения, вдюсимыа на защиту.

1. В системе торфяная почва-растения конкуренция между элементами, находящимися в макро- ( калий) и микроконцентраииях (радиоцезий) удовлетворяет механизму сорбции по типу изотермы Лэнгмюра. 4

2. Величина КН радиоцезия многолетними травами зависит от равномерности распределения калия по глубин? корнеобнтаемого слоя почвы.

3. Изменение К11 радиоцезия в течение вегетации зависит от соотношения скоростей роста растений м выноса радионуклида.

Практическая значимость. эффективность работ может быть оценена по уровню снижения загрязнения травостоя на мелиорированных торфяных почвах Иовозибковского района Брянской области, где проводился полевой опыт. Показано, что радиоэколо-гически необходимые дозы калийных удобрений при их поверхностном внесении значительно превышают агрономически обоснованные.

На основании данных о зависимости накопления радионуклидов в растениях от скорости роста растений возможна разработка методики прогнозирования ожидаемых уровней загрязнения растениеводческой продукции.

Публикация и апробация работы. Результаты исследований по материалам диссертации опубликованы в 5 научных работах. Основные положения диссертации доложены на конференциях СНГ "Основные направления получения пкологически чистой продукции растени<?водства"( г. Горки, Беларуееия, 1992),"йтмия радионуклидов и металл-ионов в природных объектах'Ч Минск, 1992), а также на международной конференции "Радиоэкология торфяных почв'Ч Санкт-Петербург, 1094).

Диссертация апробирована на семинаре кафедры агрохимии Санкт-Петербургского аграрного университета 16 июня 1304 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методик исследования, а так»? двух глав, содержащих собственные экспериментальные данные и их обсуждение, выводов и указателя литературы. Работа! изложена на 130 стр. машинописи, иллюстрирована 22 таблицами и 13 рисунками. Список литературы содержит 172 источника, из которых 152 принадлежит отечественным и £0 зарубедныи авторам.

МАТЕРИАЛ11 И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Полевой опыт.

В 1990 году на территории Брянской области НовозкбкоЕского района нами был заложен 3-х летний опыт на торфяной почве с уровнем загрязнения '^Сэ, равным 40 КМ км2. Длл опыта был

5

выбран мощный низинный торфяник, находящийся в производстве 8 лет, с 2-х летними посевами многолетних трав (Вготорз1з ¡пепМБ Ь.) Перед посевом была проведена глубокая вспаинса с оборотом пласта для заглубления загрязненного '3,С5 поверхностного слоя и известкованием.

Опыт закладывался по общепринятым методикам (Доспехов Б. А. ,1968): делянки площадью 4 м2 (2x2) с защитной полосой между ними О. 5 м, в пяти повторностях. В качестве удобрений были использованы: хлористый калий (58 X д. в.), аммиачная селитра (34 1 д. в.) и двойной суперфосфат гранулированный (40 % Д. в. ).

Схема опита представлена в табл. 3.

Во время укосов (2 укоса за вегетационный период) отбиралась средняя проба трав. Керновым буром отбирались пробы почвы по слоям 0-10; 10-20; 20-30 см и тростьевым буром средние пробы пахотного горизонта почвы.

Ео всех вариантах опыта содержание подвижных форм калия и радиоцезия определялось но Кирсанову, обменных - по Масловой.

Определение концентрации ' ''Сб в пробах почв и растений проводилось гамма-спектрометрическим методом. Обменные, подвижные Форш Сз определялись радиохимическим методом. Коэффициент накопления (К® в'Сз многолетними травами рассчитывали из соотношений концентраций воздушно сухой травы и воздушно сухой почвы

Таблица 1

Агрохимическая характеристика торфяной почвы

рН КС1 Нг МГ-ЭКВ/1С 5 Югпочвы V | Са | Ме % \ | Р 0 МГ/100 К 0 г почвы

5.9 10.6 почва 259.4 1 1 юлевого опыта 96.1 2. ОБ 0.209 56.2 10. 4

4.8 25.8 почва 67.2 вегетационного опыта 73.3 | 4.2 | - 32.0 43. 2 ............

Распределение радиоцезия по глубине почвы было крайне неравномерным. В разных горизонтах пахотного слоя концентрация 01 Сз изменяется почтя в 10 раз, от 1.78 до 17.09 Е4 Вк/кг в 6

средних пробах почвы пахотного слоя колебания концентраций 1-'Сз значительно меньше ог 3.18 до 10. V? Е4 Вк/кг.

2. Вегетационный опыт.

Z. 1 Накопление f!lCs тимофеевкой луговой из торфяной почвы на фоне возрастаниях доз калийных удобрений

В вегетационном опыте определялось накопление "HCs га торфяной почвы растениями тимофеевки луговой (Phleum pratense L.) при изменении дозы (8 ступеней) калийных удобрений (KCl) от 0. 2 до 0.79 г д. в. /кг почвы.

Опыт был заложен по общепринятым методикам ( Нурбицкий 3. И. , 1968), в вегетационных сосудах с торфом, массой 3.5 кг, в 1091 г. - в 4-х кратной повторности и был продолжен в 1992 г. в 3-х кратной повторности.

Схема опыта включает 9 вариантов и представлена в табл. 5.

В почву всех вариантов были внесены азотные и фосфорные удобрения в размере по 0,6 г д. в. /сосуд. Вносимые дозы калия при пересчете приблизительно соответствуют полевым дозам калийных удобрений от 90 до 360 кг д. в./га. H''Cs вносили в почву в виде водного раствора с концентрацией 5. 8 кБк/кг абсолютно сухой почвы.

В 1992 году в почву вносились только удобрения в тех же количествах. Масса семян в 1991 и 1992 гг составила соответственно 0. 4 и 0.1 г/сосуд. В опыте была использована торфяная низинная почва с высокой степенью разложения торфа (табл.1).

2. 2 Кинетика поступления радиоцезия из торфяной почвы в растения

В течение 1991-92 гг. нами проводился вегетационный опыт с тимофеевкой луговой, в котором исследовалась взаимосвязь роста растений с интенсивностью поглощения ими радиоцезия из почвы в течение вегетационного периода на tone двух доз калийных удобрений.

Схема опита:

1. NPK 0.31 д. в./кг почвы + e*Cs

2, NPK 0. 60 Д. В. /КГ ПОЧСЫ 4 Ся.

Методика закладки донного опыта совпэдаэ- с условиями про-ьел?ния вегетационного опыта 2. i.

В определенные сроки после всходов растения срезались и в них определялось содержание радиоцеаия на сцинтилляционном гамма-спектрометре с учетом вклада К в "окно" Сз. .

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Зависимость накопления "^'cs кострецом Сезостьм та торфяной почвы от дозы калийных удобрений при ия поверхностном внесении. Половой ошг.

В полевых условиях при поверхностном внесении К-удобрений в увеличивающихся дозах урожай костреца безостого повышался до дозы 180 кг К20/га, при больших дозах К-удобрений изменений урожайности костреца безостого не наблюдалось.

Таблица 2

Коэффициенты корреляции разных видов зависимости КН от концентрации калия в почве (Ск) и зависимость КН от массы растений Г(М)

1 1 Год Укос Виды функций .......... t

) KH=f( Ск) In ШШСк) | ■ I 1/КН=Г(Ск) ) 1 1Ш = Г(М) |

| 1990 1 1 | -0.388 1 -0.453 | 1 0.478 1 -0.433 |

2 | -0.479 -D. 585 | 0.670 | -0.342 |

| 1991 1 | -0.728 -0.752 1 0.759 | -0.113 |

2 I -0.822 -0.843 | 0.804 | -0.467 |

1 1992' 1 | -0.741 -0.842 | | 0.847 | 1 -0.863 | |

13 7

Коэффициенты корреляции между массой растений и КН Cs в растениях невелики, кроме 1992 г (табл. 2). По-видимому, это связано с незначительным влиянием эффекта биологического разведения на накопление радиоцезия растениями.

Так как общий вид зависимости M = f (Ск) не меняется по укосам (табл.2), то, по-видимому, изменение коэффициентов корреляции между КН п'es в травах и массой урожая костреца безостого определяется действием погодных условий.

При увеличении доз К-удобрэний до 180-210 кг д. и. /га значения КН /,?Cs кострецом безостым либо слабо увеличивались по 6

сравнению с вариантом , в котором вносили; только азот-но-фосфорные удобрения (1-2 укос 1990 г. , 2 укос 1991 г.) к дозе 150-180 кг КЛ0 /га (табл.3), либо не изменялись ( 1 укос 1991 г.). Таким образом, эффект неизотопиого разбавления в этом интервале доз К-удобрений на торфяной почве не проявился.

Заметный аффект уменьшения КН и,Сб наблюдался с дозы удобрений, равной 210 кг д. в./га. В среднем за 3 года при дозах удобрений 300-360 кг д. в./га КН снизился в 3 раза, а в 1992 г. - в 10 раз.

Поверхностное внесение калийных удобрений создает градиент концентраций калия по глубине корнеобитаемого горизонта почвы, постепенно уменьшающийся во времени. По нашим оценкам коэффициент диффузии К составляет 2 Е-6 см2/с. Выравнивание концентрации калия по почвенному профилю приводит к плавному увеличению коэффициента корреляции между КН 'уСз и концентрацией калия в почве С(К) по укосам (табл.2).

Среди нескольких исследуемых нами видов зависимости Ж от концентрации калия в почве наибольшие коэффициенты корреляции получены между обратной величиной КН шСз и концентрацией калия в почве, кроме 2 укоса 1991 г (табл.2). Это подтверждает наше предположение о возможности использования сорбционной модели для изучения взаимодействия калия и радиоцеэия в системе торфяная почва-растение.

Определение обменных форм калия и радиоцезия в исследуемой торфяной почве проводилось в 1991 г. весной - перед отрастанием костреца безостого, а также после первого и второго его укосов (табл. 4). Накопление калия в торфяной почве с низким его естественным содержанием происходило только при внесении К-удобрений в дозах 300-360 кг д. в./га.

В торфяной почве при высоких дозах К-удобрений (210-360 кг д.в./га) происходило уменьшение соотношения Сз/К (обменные формы) приблизительно в 2-3 раза, по сравнению с контрольным вариантом. По-видимому, соответственно увеличивается конкурентная способность калия по отношению к '^'сэ за места сорбции на поверхности корня.

Содержание обменного '''сз в разных вариантах опыта в течение вегетационного периода колебалось от 3.8 % до 15.2 % от общего его количества.

Таблица 3

Коэффициенты накопления С£. многолетними травами (кострец безостый)

из торфяной почвы зг период с 133® по 1932 гг. »

N п/п Коэффициент накопления <КН)

Варианты 1990 г - 1991 г 19Э2 г Средний

1-й укос 2—и унос 1-й укос 2-й укос 1—VI уКОС за 3 года

1 Контроль (1\1оРЫ<о) 0.17 0.31 0.07 0.13 0.1В 0.17+0.05

2 ' МЭИРЗ© - фон 0. 10 . 0.15 0.08 0.14 0.31 0.16+©.06

3 «он + К30 0.11 0.22 . 0.05 0.13 0.10 0.12+0.04

4 ♦он + К120; 0.10 0.23 0.07 ' 0.09 0.07 0.11+0.05

5 ?он * К150; 0.1Э ' 0.35 0.08 0.10 0.05 0.15+0.09

6 Фон + К1В©; 0.12 0.14 0.0В 0.15 0.65 0.11+0.04

7 Фон + К21 0; Gl.ll 0.10 0.08 0.07 0.07 0.03+0.01

е фон * К240; р.се 0.15 О.Об 0.07 0.Ь0 0.07+0.02

э фон + кз ей»; 0.О5 ©.13 0.02 ©.03 0.05 0.®3+©.©2

1© Фон + КЛбО. 0.09 0.10 0.02 0.04 0.03 0.Ш+0.03

Таблица 4

ОЦменньН К и С5 е засисимости от дозы удобрения (на абсолютно сухой торф) 1991 г

N п/п Варианты Обменный калий (мг/102*-) Обменный цезмп (расп/мин г)

Весна После 1-го укоса После 2-го укоса Весна После 1-го укоса После 2-го укоса

1 Контроль <1МоРвко> 33.1 51.5 18.4 335 15Э 113

о 1М90Р90 - Фон 41. Б 25.0 20.4 217 23Э 170

3 Фон + К90 26. Э 25.2 1В.4 161 223 343

' 4 фон + К120; 50.2 26.0 28.е 432 584 204

5 фон + К150; 35.5 57.2 17.® 183 382 143

£ фон + К1В0; 35.2 29. Э 22.7 409 - 225

7 фон + К210; 7Э.4 в0.6 30.Э 379 Г>22 244

8 фон + К240; 35.2 145.0 21.0 425 13В 126

9 фон + К300; 90.2 221.0 194.3 644 193 200

10 фон + КЗ 60. 104.0 171.0 157.5 — 13В 239

2. Зависимость накопления тСз тимофеевкой луговой от концентрации калия в торфяной почве. Вегетационный опыт.

Уролайность травы в первом и третьем укосах вегетационного опыта не зависела от концентрации калия в почве, начиная с 3 варианта опыта, где концентрация калия в почве в среднем составляла 0.3 г К7_0/ кг (табл.5), Масса тимофеевки луговой во втором укосе зависела от содержания в почве азота и фосфора больше, чем от содержания калия.

Таблица 5

Урожайность тимофеевки луговой( г/сосуд)

1991 Г 1992 Г

варианты

1-й укос 2-УКОС 3-й укос

1. № - фон 23. 35 6.48 2. 00

2. фон +, К 0. 20 (г д. в. /кг 40. 60 10. 01 9. 04

3. фон + К 0. 26 почвы) 46. 08 9, 92 12. 08

4. фон + К 0. 31 48.00 8.85 12. 56

5. фон + К 0. 37 43. 04 9.54 11. 63

6. фон + К 0. 43 48. 27 9.06 11.75

7. фон + К 0. 49 40. 52 9.45 9. 24

8. фон + К 0.60 40. 64 9. 96 8.38

9. фон + К 0. 71 44. 40 10.08 8. 64

НСР05 б. 44 1.47 г. 50

Во втором и третьем укосах концентрация калия в почве была рассчитана по его балансу в системе почва-растение с учетом выноса калия растениями.

Результаты исследований представлены в табл. 6. КН " Ся уменьшились в 100-80 раз по сравнению с контролем.

В вегетационном опыте при равномерном распределении калия по глубине корнеобитаемого слоя зависимость КН - Г (Ск) в 3-х укосах, аналогична зависимостям этого типа, полученным ранее на минеральных почвах, т.е. КН з в растениях уменьшаются с увеличением концентрации калия в почве.

Применяя теорию сорбции Лэнгмюра, можно описать КН радиоце-

1!

Таблица 6

Коэффициенты накопления тимофеевкой луговой

Коэффициенты накопления

Варианты

1 укос 2 укос 3 укос

1 1.14 2.51 1.32

2 0.58 1.18 0.14

3 0.35 0. 81 0.13

4 0.17 0. 64 0.05

5 0.21 0. 48 -

6 0.13, 0. 20 0. 02

7 0. 04 0.17 0.02

8 0. 01 0. 05 0. 02

9 0. 01 0.03 0. 01

зия растениями уравнением :

Ср, а,

КН--- -:— , (1)

Сп, 1 + ЬгСп^_

1

где Ср,- концентрация радиоцезия в растениях, Сп<- его концентрация в почве; Спа- концентрация калия в почве; а<,ьг- коэффициенты.

Коэффициенты а^Ьг, определяются из следующих соотношений: а.,- к,кг. / (2)

где'к<- коэффициент пропорциональности между концентрацией радионуклида в почвенном растворе и твердой фдаой почви, кг. -коэффициент пропорциональности между поверхностной концентрацией радионуклида на корне и его' массовой концентрацией в растении; Д./- поток радионуклида из почвенного раствора через поверхность корня; постоянная скорости десорбции радионуклида с поверхности корня в почвенный раствор; Б - емкость растения по отношению к макроэлементу;

12

Ь2 - к; ] / Л,

13)

где к'( - коэффициент пропорциональности между концентрациями калия в почвенном растворе и твердой фазе почвы, Л < - поток калия из раствора через поверхность корня,Лг - постоянная скорости десорбции кадия с поверхности корня в раствор.

Для минеральной почвы с некоторыми допущениями показано, что величина, обратная КН радионуклида, прямо пропорциональна концентрации макроэлемента в почве (Дричко Е Ф. , 1990).

Результаты, полученные в вегетационном опыте, представлены на рис. 1, иа которого видно, что зависимость 1/НН от концентрации калия в почве (Ск) состоит из двух прямолинейных участков, имеющих разный угол наклона (ЬА) и соответствующих двум интервалам концентрации калия в почве.

Коэффициент Ь л в первом, втором, третьем укосах 1 части исследуемых зависимости соотвественно равен 15.64, 29.98, 28.33; а во 2 части - 276.33,132.00, 83.06. Он больше коэффициента Ь,, первой части зависимости в 17.7, 4.4, 2.9 раза по укосам . соответственно. Таким образом, при насыщении твердой фазы торфяной почвы калием исследуемая зависимость стремится к прямой линии.

Точки перегиба графиков зависимости соответствуют концентрациям калия: в первом укосе О. 50 г/кг, во втором 0.25 г/кг в третьем - 0.25 г/кг. При этом величины коэффициентов накопления радиоцезия равны 0.13, 0.17, 0.13 в 1, 2, 3-м укосах соответственно, т.е. коэффициенты накопления в точке перегиба зависимости 1/Ш- Г(Ск) совпадают в первом и третьем укосах. Но почвенные концентрации калия при этом различаются в 2 раза.

1/КН

1 укос

2 укос

3 укос

0.50 0. 25 0.25 Ск

Рис. 1. Зависимость 1/КН от концентрации калия в торфяной почве

Можно предположить, что -твердая фаза торфяной почвы имеет близкую к корневой системе удельную емкость поглощения, так как природа центров сорбции химических элементов твердой фазы почвы и корнем одинакова. Это предполагает равенство прочности связи катионов. Однако, общая обменная емкость катионного поглощения твердой фазы торфяной почвы, по-видимому, больше, чем у корневой системы растения. Поэтому некоторая часть калия, поступающего с удобрениями в почву, идет на ее насыщение.

Насыщение твердой фазы почвы калием постепенно приводит к увеличению его накопления в почвенном растворе. По-видимому, процесс насыщения твердой фазы заканчивается - при увеличении концентрации калия до ее значения в точке перегиба При этом происходит выравнивание ненасыщенных обменных емкостей твердой фазы почвы и корневой системы.

Коэффициент Ьг(2) характеризует поведение калия в системе почва-растение. Его увеличение- предполагает изменение коэффициента пропорциональности между концентрацией макроэлемента в почвенном растворе и твердой фазе почвы, возрастание потока калия из раствора через поверхность корня, т.е. в точке перегиба зависимости 1/КН = Г( Ск) происходит, по-видимому, изменение параметров твердой фазы торфяной почвы, и, следовательно, всей системы почва-растение.

В литературе имеются данные (БарОер Д. А. ,1988) о том, что обнаружены отдельные кривые поступления калия в растения для интервала низких и высоких его концентраций в почве. Автор связывает этот факт с наличием двух механизмов поступления (талия в растения.

3. Кинетика поступления радиоцезия из торфяной почвы в растения.

Скорость выноса из почвы минеральных элементов и их риди- . оактивных изотопов тесно связана со скоростью роста растений, которая является функцией генетических свойств растений, свойств почвы и обеспеченности ее элементами питания.

Рост массы растений описывается З-образной кривой, которая хорошо аппроксимируется логистической функцией (Варфоломеев С. Д., 1990): 14 '

Мо!Атах ехр[ и I]

МЬ -

(4)

Мтах + Мо ехрС/И]

где Мтач - максимальная масса растений; N0 . - масса семян, внесенных в почву; МЬ - масса растений на момент времени и /с" - константа скорости накопления массы (роста) растений.

При условии Мтах >> N0 ехр' [ Н Ь] наблюдается экспоненциальная фаза нарастания массы растений:

В 1991 году скорость роста растений не зависела от дозы калия, в 1992 году растения в варианте с меньшей концентрацией калия в почве несколько обгоняли в развитии растения 2-го варианта (табл. 7). Кривые скорости нарастания массы растений хорошо описываются логистической функцией.

Экспоненциальная фаза роста растений начиналась лишь на 12-15 сутки (1991 г) и на 20-25 сутки (1992 г) после всходов, а на 45-50 сутки растения либо высыхали из-за большой набранной массы по отношению к занимаемому ими пространству (1991 г), либо выходили на пологий участок роста (1992 г). Поэтомому константы скоростей роста растений вычислены нами в интервале вегетации от 12-15 до 35-50 суток ( табл.8).

Константы скоростей роста растений позволяют вычислить периоды (1) полуудвоения массы растений:

В опыте 1991 года константы скоростей роста растений в обоих вариантах были практически одинаковыми (табл. 8). ■ Масса растений удваивалась каждые 5.5 дней. В опыте 1992 года периоды удвоения массы растений 1-го и 2-го вариантов составили 7.5 и 4. 3 суток соответственно. Различие объясняется задержкой в росте растений 2-го варианта в начале вегетации.

Можно предположить, что вынос элементов растениямитечение вегетации, так же как и их рост, подчиняется зависимости

Ми) = N0 ехр í ¡, 13.

(5)

Т - 1п2/> .

(6)

А( V - Ао ехр [ ■ «

(7) 15

где £ - константа скрросги накопления элемента в растении.

Тогда изменение концентрации элемента в растении на экспоненциальной фазе их роста можно ваписагь в виде:

С(Ь) - Аи)/М(Ъ) - Со ехр[ -(/л (8)

где С(Ь) - концентрация элемента в растении на момент времени Ш; A(t) - общее количество (вынос) элемента растениями из почвы к моменту времени (Л): Со - концентрация элемента в растениях на момент прорастания семян в почве или на тот момент времени, с которого начинается экспоненциальная фаза изменения выноса элемента из почвы урожаем.

Из уравнения (8) следует, что если константы скоростей накопления биомассы и элемента равны друг другу, то концентрация элемента в растении не изменяется в течение всего времени вегетации. Если ^ > £ или ,ц < ё , то концентрация элемента в растении соответственно уменьшается или увеличивается во времени с общей константой скорости {/( -¿- ).

Соотношение (8) справедливо и по отношению к радионуклидам, поступающим в растения из почвы. Поэтому коэффициент накопления (КН) радионуклида имеет вид:

КЩг) - С(Ъ)р/Сп - КНо ехр[-(/-£П] . (9)

Внесение в почву макроэлемента-аналога может уменьшить КН радионуклида и его концентрацию в растении как вследствие конкурентного обмена (эффект неизотопного разбавления) на границе почвенный раствор/поверхность корня (уменьшается величина АШ в уравнении (8), • так и вследствие увеличения массы растений (эффект биологического разбавления) ( Юдинцева Е. В. , Гулякин И. В. , 1968 )

Скорость накопления Сэ растениями 1-го варианта существенно превышала скорость его накопления растениями 2-го варианта. Слабая зависимость нарастания массы растений от дозы калийных удобрений говорит о выравненности опытов по обеспеченности растений элементами питания. Поэтому можно полагать, что различное усвоение ^Сэ растениями контрольного и опытного вариантов обусловлено целиком взаимодействием элементов- анапо-гов между звеньями почвенный раствор-почва и почвенный раст-16

вор-корни.

Скорость выноса растениями калия из почвы (определены только в 1992 г) несколько меньше скорости роста массы растении. Периоды удвоения выноса калия из почвы равны 8. О и 4. 5 суток для 1-го и 2-го вариантов (табл.8).

Концентрация калия в растениях за время вегетации уменьшается (тайл. 7) и поэтому показатель степени в уравнении (8) имеет отрицательный знак: -0.005 и -0.008 l/сут (табл.8).

В условиях неравновесносгм, связанной с ростом растений, вынос радионуклида из почвы обусловлен как взаимодействием «го с атомами элемента-аналога в звеньях системы, так и скоростью нарастаний биомассы растений.

Как видно из табл. V и 0 , внесение в почву высоких доз ка-

лгц

лийиых удобрений заметно уменьшает вшос Cs из почвы, что укрывает на обратно пропорциональную зависимость мезду константой скорости выноса радионуклида из почвы и концентрацией в ней калия.

В 1991 году различия в концентрации калия в почве сказались только на величине константы скорости выноса yvCs. В опыте 1992 г. величина Ь зависела не только от концентрации калия в почве, но и от скорости роста растений. В обоих вариантах скорости накоплении калия биомассой практически равны скорости роста растений. Большей константе скорости роста растений соответствует большая скорость ьшоса калия (вариант 2), что

| Zu

сопровождается уменьшением константы скорости выноса Cs. Отношения констант t (.1) / £ (2) для HvCз в 1 и 2 вариантах равны 1.6 (1991 г) н 2.6 (1992 г). Таким образом, увеличение скорости роста растений, сопровождаемое увеличением скорости выноса калия, замедляет скорость поступления ,ivCs в растения. Отметим, что концентрация калия в растениях в течение вегетации медленно снижалась - периоды полууменьшения составили 1;'8. б и 85.6 суток в 1-м и 2-м варианте соответственно.

Опыт показал, что в течение вегетации изменяется характер взаимодействия калия и Cs п системе почва-растение: проростки интенсивнее поглощают l}HCs на фоне более высоких концентраций калил в почве, но через 10-15 суток (1991 г) и 20-25 сут (1992 г) после посадки семян наблюдается инверсия коэффициентов накопления (табл.7). 17

Таблица 7

Масса растении (М, еоздуыно-сухая) , вынос (А), концентрация (С) и коэффициент накопления <к.н.) С=. и содержание калия <К ) в растениях

t М А С к.н. к М ■ А С К.Н. К

дни Г/СОСУД Бк/сосуд Бк/Г г/кг г/сосуд Бк/сосуд Бк/г Г/КГ

1 вариант 2 вариант

19е 31 г.

э 0.В1 0.69 0.85 0.1-44 - 0.В7 1.5Э 1.22 0 200 -

12 3.50 1.34 0.38 0.055 - 2.83 1.79 0.63 0. 104 -

15 5.69 1.Б1 0.28 0.049 - 5.62 1. • 22 0.22 0. 035 -

1©.вг> 5.78 0.53 0.091 - 11.50 1.15 ©.10 0. ©16 -

25 21.70 13.20 0.88 0.150 - 21.20 4.23 0.20 0. 033 -

30 37.40 35.50 0.95 0.161 - 33.60 0. 13 0. 022 -

35 54.ee 125.1® •"5 _ О 0.3Э4 - 55.90 16.80 0.30 0. 04Э -

-40 ' 36.90 110.00 3.00 0.507 - «40.00 10.00 0.25 0. 041 -

1ЭС 12 г.

20 2.68 0.63 0.2-4 0.040 51.52 0.62 0. 39 0.620 0. 101 _

30 8.Об 1.29 0.16 0.027 62.34 6.1Э 0.63 0.11® 0. 01В 88.62

33 9.77 2.6В 0.27 0. ©47 31.31 8.2-1 0.62 0.076 0. 012 86.22

<к> 16.62 3.50 0.46 0. 07 В 20. 06 13.96 1.21 0.082 0. 013 31.44

45 19.72 19.70 1.00 0.170 13.©4 19. -48 1.43 0.073 0. 012 33.55

50 21.97 16.9® 0.77 0. 131 26.61 20.31 1. 26 0.062 0. 010 38.13

55 21.82 16.30 0.73 0. 127 23 .58 22.11 2.14 0.0Э7 0. 016 29.40

Таблица ¡3

Констант скоростей накопления массы растений и выноса радионуклида из почвы (1/сутки), периоды полуудвоения (сутки)

Вариант опыта £ (Сэ) М - £ (СБ) £ (К) /1~£ (К)

1991 г.

1 (0.31 г К) (сут-1) Т (сут) 0.121 5.7 0.210 3.3 -0.089 7. 8 - -

2 (0.60 г К) (сут"1) Т (сут) 0. 120 5.5 0.132 5.3 -0. 007 99 - -

1992 г.

1 (0.31 г К) (сут"1) Т (сут) 0. 092 7.5 0.141 ' 4.9 -0. 039 17.8 0. 087 8.0 0.005 139

2 (0.60 г К) (сут') Т (сут) 0.161 4.3 0.050 13. 9 0.098 7.1 0.153 4.5 0. 008 87

выводы

1. Бри ежегодном поверхностном внесении К-удобрений коэффициент накопления Cs травами из торфяной почвы уменьшается с увеличением дозы удобрений и во времени. В первый год в обоих укосах и во втором укосе второго года наблюдается максимум'коэффициента накопления при дозе 150-180 кг д. в./га. В первом укосе второго года и на третий год максимум практически исчезает.

Уменьшение коэффициента накопления радиоцезия во времени (по укосам) объясняется скорее выравниванием концентраций калил по глубине корнеобитаемого горизонта, чем закреплением радионуклида в почве.

2. Увеличение коэффициентов накопления растениями па фоне возрастающих доз K-удобрений не наблюдается при равномерном распределении удобрений по всему объему корнеобитаемого слоя почвы.

3. При поверхностном внесении удобрений в торфяную почву радиоэкологически эффективная доза K-удобрений в 1.5 - 2 раза превышает агрономически обоснованную. Поверхностное снесение К-удобрений оказывает наибольший радиоэкологический эффект (снижение поступления, радиоцезия в растения) на третий год.

4. Взаимодействие калия и радиоцеэия в системе торфяная почва - растение хорошо удовлетворяет механизму сорбции по типу изотермы Дэнгмюра. При этом обнаруживаются две стадии поглощения радиоцеаия кострецом безостым , характеризующиеся разными коэффициентами изотермы Лэнгмюра. По-видимому, проявление двух стадий поглощения связано-, с резким различием в величине обменной емкости твердой Фазы торфяной почвы и корневой системы растения, а также со сходством энергии связи катионов фазами системы торфяная почва - растение.

Концентрация калия в почве, разделяющая две стадии поглощения уменьшается во времени (по укосам), что возможно связано с постепенным насыщением катионами обменной емкости твердой фазы почвы.

5. В течение вегетации вынос радиоцезия растениями из торфяной почвы хорошо описывается логистической функцией. Интенсивность выноса радиоцезгя зависит от скорости роста растений и концентрации калия в почве. Концентрации радиоцеэия в

растениях и его коэффициент накопления увеличиваются, если 20

константа скорости выноса радиоцезия превышает константу скорости роста растений, и уменьшаются при изменении знака разности указанных констант скоростей выноса и роста. Увеличение концентрации калия в почве уменьшает вынос, концентрацию и коэффициенты накопления радиоцезия растениями в течение вегетации.

6. На ранних стадиях развития растений (до трех недель) наблюдается инверсия коэффици&нта накопления радиоцезия : более высоким концентрациям калия в почве соответствуют более высокие величины коэффициентов накопления, затем зависимость между коэффициентом накопления и концентрацией калия в почве следует механизму конкуренции мезвду элементами-аналогами (неизотопного обмена). Возможно, что взаимодействие с торфяной почвой торцевых систем ювенильных и взрослых растений неодинаково.

Список работ, опубликованных по теш диссертации

1. Дричко В. Ф. , Ефремова М. А. , Поникарова Т. М. Поступление

Сэ из торфяной почвы в тимофеевку луговую в онтогенезе //

Радиационная биология. Радиоэтология, 1994, N 4-5 (в печати). .

2. Поникарова Т. М. , Дричко В. Ф. , Ефимов В. Е , Бурунова М. А. з Рябцева М. Е., Семенов Е. И. Выращивание многолетних кормовых трав на торфяных почвах, загрязненных радионуклидами // Конф. "Основные направления получения экологически чистой продукции растениеводства": Тез. докл. - Горки, 1992. С. 161.

3. Бурунова м. А. (Ефремова), Дричко В. Ф. , Поникарова Т. II, Рябцева М. Е. Накопление радиоцезия травами из торфяной почвы на фоне возрастающих доз калийных удобрений // Конф. "Химия радионуклидов и металл-ионов в природных объектах"! Тез. докл. - Минск, 1992. С. 82.

4. Дричко В. Ф., Поникарова Т. М., Бурунова М А., Петракова С. Ю. Поглощение радиоцезия травами в онтогенезе // Конф. "Химия радионукл. и мет. -ионов в прир. об.": Тез. докл.-Минск, 1992. С. 83.

5. Дричко В. Ф., Поникарова Т. Ы., Ефремова М. А. Поступление Сз-137 в кострец безостый из торфяной почвы при поверхностном внесении калийных удобрений П Меэдун. конф. "Радиоэкология торфяных почв": Гез. докл. - С. -Петербург, 1994. С. 73.