Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЦИНКА И ПРОГНОЗ ЕГО МИГРАЦИИ В ПОЧВАХ ПОДЗОЛИСТОГО ТИПА

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЦИНКА И ПРОГНОЗ ЕГО МИГРАЦИИ В ПОЧВАХ ПОДЗОЛИСТОГО ТИПА"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи Кафедра почвоведения

ТАЛДЫКИН Сергей Аркадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЦИНКА И ПРОГНОЗ ЕГО МИГРАЦИИ В ПОЧВАХ ПОДЗОЛИСТОГО ТИПА

Специальность 06.01.03 — Почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА — 1982

Работа выполнена на кафедрах почвоведения и прикладной атомной физики и радиохимии Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор А. Д. Фокин.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, старший научный сотрудник Алексахин Р. М.; кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Степанов И. С.

Ведущее предприятие — Центральный научно-исследовательский институт агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО), * '

Защита диссертации состоится 1982 года на заседании Специализированного совета К.120.35.01 в Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, г, Москва, Тимирязевская ул., д. 49, Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан « У » . . . . . 1982 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доцент

Н. А. ГОНЧАРОВА

Актуальность исследования. Изучение миграционных npd-цессов в почвах продолжает оставаться актуальной задачей почвоведения. Миграция органического вещества, металлов, илистых частиц во многом определяет генезис и эволюцию различных,почв, в особенности почв подзолистого типа. Миг- ' рация элементов минерального питания существенно влияет на уровень плодородия почв. Наконец, поведение и миграция различных веществ техногенного происхождения, неизбежно попадающих в почву, влияет на уровень загрязнения почв привнесенными извне веществами, на интенсивность их вымывания из почвы.

Для правильного понимания общей направленности пре- , вращений и поведения любого вещества в почвах необходимо количественное изучение всей совокупности протекающих трансформационных и миграционных процессов, включая перемещение растворенных и взвешенных форм вещества с потоками почвенной влаги (абиогенный перенос), перемещение вещества в результате его включения в биомассу растений, перенос в составе вегетирующих растений и возврата в почву в трансформированной форме (биологический перенос). Комплексные исследования совокупности главных процессов перемещения вещества дают основание для длительного прогноза поведения его в почвах. Б настоящее,время в условиях интенсивного хозяйственного и техногенного воздействия на почву -задача долгосрочного прогноза поведения любых веществ в почвах приобретает исключительную актуальность.

Интерес к поведению цинка в почвах объясняется тем, что он является необходимым для растений микроэлементом. Часто во многих почвах ощущается его недостаток. Однако в условиях возможных аэральных поступлений, а также при внесении цинка в составе цинксодержащих пестицидов и при слабом выносе из почвы его количество может достигать избыточных уровней (Frank R. et al., 1976; Bradford G. R. et al., 1975).

Цель и задачи исследований. Целью нашей работы являлось разностороннее изучение поведения цинка в почвах подзолистого типа. Наряду с этой конкретной задачей.,бнда„В13д»™

цитр, г:;--1 П'гэт^з [ММ. c.fl. f- iv.r."

шд- Пийш*.

ставлена более общая задача: нз примере цинка в почвах подзолистого типа разработать программу натурных изотоп* ноннднкаторных наблюдений за поведением в почве поливалентных металлов н Других веществ, достаточную для долгосрочных прогностических расчетов их поведении в почвах.

Новизна и практическая ценность работы. Новизна проведенных исследований состоит в следующем. Впервые дана количественная характеристика главных трансформационных и миграционных потоков цинка к почвах подзолистого типа. На основе сезонных исследований этих потоков дана система расчетов с целью долгосрочного прогноза миграции цинка в этих почвах.

Разработанные методические подходы могут быть использованы для прогнозирования на эмпирической основе поведения в почвах других элементов (исключая элементы и вещества, образующие летучие соединения). - -

Апробация работы. Результаты исследования доложены на конференции молодых ученых ТСХА, март 1979; Юбилейной научной конференции ТСХЛ, декабрь 1979 ; 1-й Всесоюзной конференции по' сельскохозяйственной радиологии, Обнинск, 1979.

■ Публикации; По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ и 3 работы задеионнрованы во ВНТннформ-центре.

Объем работы. Диссертация изложена на 191 странице, включая 39 таблиц, 42 рисунка н состоит из введения, обзо-

Еа литературы, раздела «Объекты и методика исследований»-, глав экспериментальной части, 3 приложений и основных выводов. Список цитируемой литературы содержит 106 источников, в том числе 60 работ иностранных авторов.

Литературные сведения

Обзор литературных источников по вопросам миграции поливалентных металлов свидетельствует об отсутствии законченных количественных представлений о круговороте этих элементов. Отсутствуют также необходимые экспериментальные данные и разработанные методики для построения прогностических моделей по трансформации и миграции вещества в почвах.

I. Объекты и методы исследований

В качестве объектов исследования были выбраны почвы: подзолистая тяжелосуглинистая оглеенная на покровном суглинке под естественной растительностью;

окультуренная дерново-слабоподзолистая тяжелосуглинистая оглеенная на покровном суглинке;

дерново-слабоподзолистая нллювналыш-железистая песча-2

ио-супёсчЗнай оглеённая на древиеаллювиальных отложениях под лесной естественной растительностью;

окультуренная дер ново-елабоподзол истая иллювиально-железнстая песчано-супесчанаи оглеениая на дерново-аллювиальных отложениях.

На этих почвах были заложены опытные площадки с целью проведения натурных наблюдений. Перечисленные объекты расположены в Московской области. Уклоны площадок не превышал» 0.002, Кроме того, ряд натурных наблюдений проводился на агроводнобалансовом полигоне ВНИГЛ (г. Валдай). Почвы полигона дерново-елабоподзолистые, песчаные на флювиогляцниальных отложениях. Полигон занят многолетними травами. Наблюдения проводились с 1976 г. по 1981г... ' ..

Методы, исследований. Для выполнения поставленных задач были проведены лабораторные изотопно-индикаторные опыты с почвенными колонками ненарушенного сложения, представлявшими собой монолиты с сечением 15X15 см и высотой 1,2 м, а также полевые стационарные исследования, в которых изучалась миграция и поступление цинка б * растение. Метка вносилась на различную глубину и на поверхность почвы. Максимальные размеры площадок составляли 50Х Х50 см. В ряде случаев практиковались «точечные» внесения метки с размерами исходной зоны 1—2 смг. . ■ .

Радиометрические измерения в лабораторных условиях проводили на гамма-счетчике, модель 1185-Р! формы «Сёрл», а также на. жидкостном ецннтнлляционном радиометре Марк II фирмы «Сёрл».

В натурных экспериментах использовался полевой-радиометр типа М-30 со счетчиком СБТ-13. В качестве радиоактивных индикаторов использовались изотопы 36С1 для исследования перемещения влаги и 63Ип в исследованиях переноса,ме* талла.

Исследования с радиоактивными индикаторами проводились по методике, описанной Рачинским В. В. (1974).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2. Исследование сезонной миграции влаги как основного фактора абиогенного переноса веществ в почвах. :

Характер передвижения почвенной: влаги, являющейся «носителем» растворенных и взвешенных в воде веществ, оказывает значительное влияние на направление и интенсивность миграции вещества в исследуемых почвах.

В результате исследований обнаружено значительное варьирование направлений потоков, путей и скоростей перемеще-

Ьня влагн в пространстве и времен», что связано с нзм"ён4-нием метеорологических условий, а также неоднородностью самой почвы. Характерной особенностью передвижения влаги в осенний период является впитывание основной массы осадков (60—80%) на значительную глубину, составляющую за октябрь—декабрь 50—60 см при глубине проникновения отдельных опережающих потоков приблизительно до -1,5 м.

При этом отмечено, что на 'почвах тяжелого механического состава интенсивное вертикальное перемещение и размытие фронта меченой воды в осенний период обусловлено трещинной локализацией перемещения влаги, что подтверждено прямим экспериментом.

Характерной особенностью перемещения влаги зимне-весенних осадков является значительное возрастание горизонтальной составляющей переноса, которая иногда в 2—3 раза превышает вертикальную, при этом впитывание влаги осадков незначительно (20—10%). Данные особенности объясняются зимним промерзанием и осенней влагозарядкой почвы, поэтому значительная часть зимне-весенних осадков уходит в виде поверхностного стока.

. 3. Абиогенная миграция растворимых форм цинка

Для количественной оценки миграционной способности вещества мы пользовались величиной К^, которая определяется как отношение средних скоростей миграции вещества и воды. Величина Я/ может быть найдена экспериментально в лабораторных или полевых условиях путем непосредственных измерений скоростей или путей переноса веществ и воды в почве. • -

Любой элемент, в том числе и цинк, присутствующий в почве, может быть представлен различными формами соединений, сорбированными подвижными тонко дисперсны ми фракциями почвы, связанными гумусовыми веществами, вошедшими в биомассу растений и 'поступившими в почву вторично с растительными остатками и т. д.

Для циика мы выделяли 4 формы дифференциации:

1) обменный цинк, переходящий в солевую вытяжку (2т); • 2) цинк, вторично поступивший в почву с растительными остатками (2пр);

3) цинк, связанный с гумусовыми веществами (2пг);

4) цинк фиксированный, остающийся в почве после выделения трех предыдущих форм (2п 6 ).

Проведенные наблюдения свидетельствуют, что поступивший на поверхность лесных подстилок меченый цинк в форме двухвалентного нона заметно перемешается, хотя скорость перемещения приблизительно на порядок меньше, чем для воды.

* Vi.' \ « m

^'V^PlM^ Ш ■ 2 ÓQV0BOQ

смешение(2) i!Q4ôHoro цшш, внв^яного на поверх хность(в поч~

декабрь Ï977/йй^У'Ь^^юв^^

И • • * И 11 : *». •» *

,. Цм им'И (1М

Ш ; ■

Ьнмма!

ЕЛ »<>■>«<> О'Ь'ам** "/«

1МН(,|4

Рис¿2, Послойное распределение корней и меченого цинка в корневой массе'и минеральной частя почвы за I вегетацию* •:

I )

1 ■ — ■■ П |

1 Г г* ' Ц • /Л « * . И....." 1

ШШ: в» - • 1 ■ . I ■ /1 ; ЧЦ-»' 11Д-" 1

УХ . - 1 ) • «Н - ' ' ' • 1 ' .. ■ ■■ /П -1

.емтяЗр»;; демйр* У ... 1Г

1878 19?8 1 ■

¿ксЕГ.ггнт МСТЕ*':' \ •■'•'Г •- ' 1 •Г ' '

ылж У. Г стадо Г «жир: Г«« /аи

IV • 'л 1979 [ .1979 : 1979 1930 | 1991 / 1®2

15 ■ 1

Рис»3. Прогноз перераспределения чданка, внесенного в мае 1978 года на поверхность песчаных дерново-подзолистых почз под травянистой растительностью(' пунктирные линии показывают экспериментальную, проверку расчетных данных).- . .

Вертикальная нисходящая миграция'меченого цинка! оцениваемая -по передвижению максимума меченой полны, на почвах тяжелого механического состава протекает наиболее интенсивно в период с октября по декабрь (рис. I).

Полученные кривые распределения показывают, что вертикальное перемещение меченого цинка, внесенного на .поверхность лесных подстилок в ионной форме, не ограничивается только органогенным горизонтом Ло. Кривые плавно переходят в область нижележащих минеральных горизонтов, при этом отдельные опережающие потоки цинка проникают на глубину 10—>15 см. В то же время по наблюдениям в те же периоды, если внести меченый цинк непосредственно-в минеральный горизонт на глубину 6—7 см, его перемещение было ничтожным, не превышающим 1 см. Это свидетельствует, как нам представляется, о том, что ионный цинк, внесенный на поверхность почвы, связывается различными водорастворимыми органическими веществами, экстрагируемыми водами осадков из лесных подстилок, и передвигается в форме металло-оргоническнх соединений комплексной и хелатной природы.

Важной особенностью перемещения цинка в верхних горизонтах лесных почв является то, что этот элемент п значительно большей степени подвержен горизонтальному ■перемещению в почве, чем 36С1. Для количественной.оценки горизонтального перемещения служит величина бокового смещения (БС), которая выражается как отношение отклонения центра максимума активности меченого вещества от вертикали, направленной из точки внесения к величине нисходящего перемещения центра максимума метки. Величина БС имела свои особенности в осенний и весенний периоды, а также на целинных н окультуренных почвах. Так, на тяжелосуглнннстых почвах величина БС для цинка в осенний период в 2 раза превосходила величину БС для воды, а весной — в 8 раз. На почвах легкого механического состава по весенним наблюдениям.величина БС для цинка также превосходила эту величину для воды. ..

На окультуренных почвах обнаруживается «растекание» вещества «по поверхности, при этом выявляется очень высокое варьирование в характере и интенсивности перемещения. Например, расстояния, на которых обнаруживался меченый цинк, от точки внесения варьировали от 4—5 см до 70 см. Из зоны внесения было вымыто от 4 до 13% цинка.

Полученные значения миграционной способности (I? /), необходимые для прогностических расчетов, для различных цинксодержащих соединений представлены в таблице 1. -

Следует отметить, что величина - И} для различных форм цинка—величина, изменяющаяся во времени, что отражено в таблице 1,

-б

Результаты опытов по абиогенному перемещению соединений шшка показали, что характер распределения мало зависит от генетического горизонта исследуемой почвы н состава вводимого соединения, а определяется преимущественно величиной среднего перемещения шшкосодержащего соединения— хг„ (табл. I).

Таблица 1

Миграционная способность различных цин «содержащих соединений' в песчаной дерново-подзолистой почве (1?/ ) и вертикальный перекос цинксо держащих соединений по периодам

<хга >

к Я

Период миграции Показатели ж <и Й * § 8 = 2 « 5 О у д О V £ £ | Л * Я ^ о у 1С ¡3 г] у N ^ & о к 1 5 £ 8 ё * Й N а о .А о о , ай ^ ЕЯ з '5 5 2.® 3 2 м 5 и М = с и ,-о г; !-> м г« >. О № Л Й о (М О в и Э о " ж 83

Осень хгп, см 0,07* 3,71 0,04 2,12 — 0,01 0,53 0,006 0,318

Веска _ К/ х2о , СМ — • 0,03 0.96 0,01 0,32 0,006 0.192

* Все для глубины до 30 см (Л1+Лг),

При расчетах абиогенного перемещения цинка в отдельные периоды была принята следующая последовательность:

1) экспериментальное определение каждой группы цинк-содержащих соединений и экспериментальное изучение их распределения в почве перед началом осеннего или зимне-весеннего абиогенного перемещения;

2) расчет среднего перемещения цинка, входящего в каждую группу соединений на основаннн средних значений по переносу влаги для последующего расчетного периода и И / для данного соединения;

3) расчет распределения 2п из каждого сантиметра слоя почвы с последующим суммированием содержания цинка данного соединения в каждом слое.

Проведенные исследования отражают основные черты абиогенного переноса водорастворимых соединений шшка в подзолистых и дерново-подзолистых почвах. Важной особенностью миграционных процессов в исследуемых почвах яв-¿6

ляется значительное варьирование в пространстве и времени интенсивности и направленности 'переноса вещества. Вертикальный нисходяший перенос наблюдается в осенний период и в начале зимы. При этом на трещиноватых почвах тяжелого механического состава перенос растворенных соединений цинка локализован по трещинам.

В весенний период более выражена тенденция к горизонтальному перемещению вещества как по поверхности почвы, так и внутри почвенных горизонтов. Причиной этого является зимнее промерзапие почвы, а также значительная влагонасы-щеиность почвы за счет вертикального промачивания в осенний период.

Максимальная миграционная подвижность цинка, поступившего на поверхность почвы в форме иона 2п2ь, наблюдается в естественных лесных ценозах. Это связано с взаимодействием цинка с органическими компонентами лесных подстилок и образованием миграцнонно-способных водорастворимых металлорганнческнх соединений.

Нисходящая вертикальная миграция цинка, поступившего в ионной форме в минеральные горизонты, чрезвычайно низка.

4. Абиогенная миграция цинка, сорбированного тонкодисперсным материалом почвы

Факт перемещения илистых фракций в -процессе генезиса и эволюции многих почв не вызывает сомнения, однако вопрос о масштабах перемещения тонкодисперсного материала в условиях сформированных почв во многом остается неясным.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с почвенными колонками, а также в естественных условиях на опытных площадках.

В результате проведенных исследований установлено, что миграционная способность (Й^ ) для вертикального перемещения тонкодисперсного материала колеблется в широких пределах от 0,0002 до 0,0008, в зависимости от характера генетического горизонта и его сложения" (таблица 2). Максимальное перемещение тоикоднсперсного материала наблюдалось в лесной подстилке. Наиболее низкие скорости перемещения наблюдались в минеральных горизонтах суглинистых почв. Для сравнения в таблице 2 приведены величины миграционной способности ионного цинка (И/г). Сравнение этих двух величин показывает, что миграционная способность мелкодисперсных частиц меньше, чем для ионного цинка для почв тяжелого механического состава в 10 раз, для лесной подстилки н супесчаной морены — в 4 и 5 раз соответственно, а для чернозема — в 2 раза.

Т а б л н и а • 2

Миграционная способность тонкодисперсных частиц (И/,) и ионного цинка (К/, )

Название почвы Й/.

Дерново-подзол иста я тяжелосу-

глинистая ......... 0,00026 0,0024

Лесная подстилка...... 0,00030 0,0014

Чернозем ......... 0,00039 0,00078

Морена тяжелосуглинистая . . 0,00026 0.0026

Морена супесчаная...... 0,00079 0,0046

Исследования поверхностного перемещения тон ко дисперсного материала на склоне с песчаной дерново-подзолистой почвой, занятого многолетними травами, показали отсутствие четко выраженных потоков перемещения. Фронтальный характер перемещения свидетельствует, что на всех частях склона меченые частицы относительно равномерно стекают вниз по склону. Такой характер перемещения, очевидно, связан с сильной задерноваиностью склона, препятствующей развитию-эро-знонных процессов, а также, возможно, условиями эксперимента, -проведенного весной 1980 года, когда почва на площадке промерзала незначительно и поверхностный сток был выражен слабо.

Максимальное перемещение от зоны внесения наблюдалось на средних и нижних частях склона и лишь немногим превышало 20 см. 'В верхней части склона перемещение было еше менее значительным.

Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют, что перемещение 2п в составе тонкоднсперсных частиц почвы играет подчиненную роль в сравнении с абиогенным перемещением 2п в форме истинных растворов, в первую очередь главных миграшюнно-способных форм цинка, представленных биоорганическими соединениями 2п с гумусовыми веществами почвы. Однако при развитии эрозионных процессов пермещение 2п в составе тонкодисперсного материала может стать доминирующим процессом. . .

5. Исследование биологической мобилизации н переноса цинка в исследуемых почвах

Вегетирующие растения поглотают элементы из различных слоев почвы и различных химических соединений. В результате поступления в растения цинк, как правило, образует более мнграционночспособные биоорганические соединения, которые могут вымываться кз растительных остатков и перемещаться ю почвенном профиле. Причем миграционная спо-

#

собность этих форм металла может превосходить все другие формы. Таким образом, биологическая трансформация и перенос вещества влияют на процессы абиогенного перемещения.

Для количественного изучения н расчета биологического перемещения необходимо знать распределение активной корневой массы по профилю почвы, интенсивность поступления вещества в растения в течение вегетации и общее поступление за вегетацию из различных химических форм и на различной глубине величину наземного и корневого опада, распределение вещества между надземными оргапамн и корнями.

С этой целью были проведены полевые наблюдения за ролью корневых систем травянистых растений в вертикальном перераспределении цинка. Натурные эксперименты были поставлены на естественном лугу на песчаной дерново-глеевой почве, сформированной на древнеаллювнальных отложениях.

Меченый цинк в виде растворов хлорида был внесен на поверхность почвы в начале мая. Наблюдения за распределением цинка были проведены в сентябре того же года.

На рисунке 2 показано распределение цинка в надземных органах, а также послойно в корневой массе и в минеральной части почвы.

Большая часть внесенного на площадки цинка (65—80%) включилась в биомассу растений. Столь высокий процент поглощения связан, очевидно, с поверхностным характером внесения цинка в почву, а также с периодом внесения.

Внесение на поверхность в значительной степени снижает взаимодействие цинка с минеральной частью почвы н его сорбционное закрепление. Значительная часть цинка уснан* валась непосредственно надземными органами, в особенности зелеными мхамн. Во всех случаях большая часть поглощенного растениями металла (80—90%) пространственно продолжала оставаться в зоне внесения, т. е. в приземных частях надземных органов и в корневой массе, локализованной в верхнем одиосантнметровом слое почвы.

Во всех слоях почвы на площадках с цинком большая часть металла локализована в биомассе корней. Для различных слоев содержание цинка в корневой биомассе было в 2— 6 раз выше, чем в минеральной части почвы. При этом, начиная с глубины 10 см, цинк присутствовал практически только в биомассе корней. Таким образом, для цинка в условиях опыта наблюдается преимущественно биологическое вертикальное перемещение металла.

Полученные данные могут служить основанием для теоретической оценки возможного перемещения металлов, поступивших на поверхность почв;

Проведенные экспериментальные исследования 'позволили

о

для травянистых растеннй в условиях песчаной дерново-подзолистой почвы дать значения -эффект и вных коэффициентов использования доступных форм цинка (2пр, 2а г, 2п0); локализованных на различной глубине (таблица 3). Оказалось, что значение к„ для трех форм при'одинаковых условиях локализации приблизительно равны. ' ' ■ - ■

■ Приведенные коэффициенты являются основными показателями, на основании1 которых: рассчитывалось поступление цннка в растение из различных групп соединений. Использование одинаковых коэффициентов поступления для трех различных групп цинка, является определенным допущением, которое, однако, обосновано экслериментальнымн-данными<й может быть использовано при расчетах.только для данного ценоза.

Т а б л и и а 3

Средние эффективные .коэффициент использования доступных форм, цинка травянистыми растениями на песчаной дерново-подзолистой

почве {в* %} '■

Глубина локализации меченого шшкэ, см Коэффициент, использования Глубнна- ■ локализации. меченого шика, см, , Коэффициент использования.

1* ■ 84,0 - 10 0,35

2 35, t И 0,32

3 28,6 . . 12:. 0,30 :

4 13.6 ■ 13 0,15

5 10,4 14 0.13

6 5,6 .-.15...... • 0,11' .

7 5,0 . 16 0,07 .

8 ' 1,5 . 17 0,06 . ..

9 0,8 18 0,05

6. Эмпирический прогноз пространственного .' перераспределения цинка в почве на основе полевого : ..эксперимента

• Задача прогнозирования поведения вещества в почвах может решаться- различными путями; Наряду с прогнозом на основе физико-математического моделирования в ряде случаев имеется возможность дать долгосрочный -прогноз-поведения и миграции вещества почвенно-растительном покрове на чисто, эмпирической основе путем: изучения в натурных условиях совокупности процессор; протекающих с веществом в почве.. " ' * ■ . 1 : '

■Как. известно, в экосистемах и почвах реализуются самые различные по.своей природе, интенсивности « направленности потоки трансформации^и;перемещения -вещества," "Для^целей

прогноза необходимо знание ряда параметров, которые могли бы с достаточной точностью характеризовать каждый из этих потоков, их варьирование в зависимости от почвенно-климатических, географических и других условий.

Для вылолнення расчетов необходимы следующие данные.

1. Количественное соотношение между различными формами, группам» и фракциями элемента или вещества в почве, различающимися по миграционной способности, доступности для растений и т. д.

Такие группы могут быть представлены веществами, сорбированными подвижными тонкодисперсными фракциями почвы, связанными гумусовыми соединениями, вошедшими в биомассу растений и поступившими в почву вторично с растительными остатками и т. д.

Для цинка требуется дробная дифференциация, по крайней мере на 4 формы: I) обменный цинк, переходящий в солевую вытяжку; 2) цннк, вторично поступивший в почву с растительными остатками; 3} цинк, связанный с гумусовыми веществами; 4) шшк фиксированный, остающийся в почве после выделения трех предыдущих форм.

2. Миграционная способность (К^) различных форм вещества по отношению к миграционной способности воды, принятой за 1. По этой величине оценивается среднее нисходящее перемещение вещества в почве по сезонам.

3. Характер перераспределения отдельных форм вещества в процессе миграции в различных почвенных горизонтах. Если величина ^ характеризует среднее перемещение вещества, то в данном случае речь идет о форме кривой вертикального распределения вещества в процессе его миграции.

Для цинка в условиях песчаной дерново-подзолистой почвы характер распределения определялся практически только величиной среднего перемещения вещества. Полученные в условиях эксперимента кривые позволяют проводить послойный расчет перераспределения вещества при его различных средних перемещениях в почве при любом исходном распределении.

4. Среднее перемещение и распределение различных форм вещества по поверхности под влиянием поверхностного стока в отдельные сезоны. В принципе необходимые экспериментальные данные и последующие расчеты выполняются по аналогии с расчетом вертикального перераспределения вешсстлл. Однако при поверхностном перемещении отмечается варьирование в очень широких пределах, в зависимости от развития эрозионных процессов.

5. Корневое поглощение растениями различных форм вещества, локализованного на разной глубине .(коэффициенты

поглощения нз различных слоев почвы). На основании этих данных, а также сведений о распределении вещества между корнями и надземными: органами растений прогнозируется его передвижение в почве в> составе живой фазы—нисходящее перемещение с растущими корнями и вынос на поверхность с надземными органами:*-

Для металлов,. поступивших на поверхность почвы, занятой травянистой растительностью, этот.поток может являться главным в общем направлении трансформации н перемещения вещества." . . • : • ■

Прогностические расчеты для почв таежной зоны Советского Союза целесообразно - проводить последовательно по трем периодам года. ,

Зимне-весенний период — от.. устойчивого промерзания почвы (или ог начала преобладания отрицательных температур) до полного схода талых вод. В'этот период наблюдается интенсивное абиогенное перемещение вещества с потоками влаги, причем в случае сплошного промерзания почвы может преобладать перемещение вещества по поверхности с .поверхностным стоком. ; ' ■ .

Летний период — означала * и до конца активной . вегетации растений. В этот период происходит активное биологическое поглощение и перераспределение вещества в почвенном профиле, биотрансформацня ц т. д..

Осенний период — от окончания активной вегетации растений до начала зим не-весеннего периода. За данный период наблюдается, как правило, наибольшее нисходящее перемещение вещества по почвенному профилю. •

Прогностический-расчет выполняется поэтапно от одного периода к другому,,причем распределение вещества по профилю почвы на любой период является отправным для расчета перераспределения его на последующий период.

Результаты прогностических расчетов перераспределения 2.П в профилях исследуемых почв представлены на рисунке 3.

Непосредственно после его поступления в форме 2пС\2 на поверхность исследуемой почвы основным фактором профильного перераспределения является биологический. Это связано с локализацией поступившего вещества в наиболее активной корневой зоне. Спустя 4 месяца от момента поступления, более 80% цинка'включилось в биомассу растений, при этом около 30% было переотложено-на поверхность в форме отмерших остатков, а большая часть остального вещества распределялась в профиле почвы в соответствии с распределением корневой системы. В- результате этого'к концу осеннего миграционного периода основная-часть цинка'была трансформирована в наиболее миграционно способные цинкоргаиические соединения растительных: остатков. "Этот-процесс оказал ос-

новноё влияние на дальнейшее поведение и распределений цинка по профилю.

В результате абиогенной миграции в первый же осенний период значительная часть цинка вышла за пределы локализации основной части активных корней (верхние 3 см почвы).

Результатом этого перемещения явилось: 1) резкое снижение биологического поглощения цинка в последующие периоды; 2) резкое снижение скоростей общей нисходящей миграции в результате снижения биологического продуцирования наиболее миграцнонно способных форм цинка; 3) прогрессивное уменьшение вымывания цинка весенними водами с поверхностным стоком.

В дальнейшем, приблизительно через 2—I года после внесения, ввиду выхода основной массы цинка за 'Пределы зоны основного корневого поглощения, биологический фактор перестает быть доминирующим и общая миграция определяется преимущественно абиогенными факторами перемещения.

За 3—4 года после поступления средняя эффективная скорость нисходящей миграции снижается с 3 см/год до 0,6 см/год и практически стабилизируется. Это дает возможность в первом приближении оценить время «очистки» слоя почвы в 30 см на 50%, которое составляет приблизительно 30 лет (при однократном поступлении).

Проверка предлагаемой эмпирической модели для цинка в течение двух лет показала удовлетворительную сходимость экспериментальных и расчетных данных.

Выводы

1. Основными чертами перемещения влаги, как основного фактора абиогенной миграции растворенных и взвешенных веществ, в почвах подзолистого типа является четко выраженная направленность и глубина проникновения влаги по сезонам. Для влаги зимне-весенних осадков характерно увеличение горизонтального -перемещения. В случае сплошного зимнего промерзания почвы резко возрастает поверхностный сток и снижается глубина вертикального промачивання почвы. Наиболее интенсивное вертикальное промачиванне почвы реализуется в осенний и позднеосенний периоды, когда средние значения перемещения влаги достигают 50 см. Характерной чертой перемещения влаги в почвах с выраженной трещиноватой структурой иллювиальных горизонтов является локализация перемещения влаги по трещинам. Трещинная локализация проявляется в наибольшей степени, когда относительно засушливый летний период резко сменяется осенью с повышенным количеством осадков.

2. Цинк, поступивший на поверхность почвы в форме

включается вфйзЛйчНЫе Соединения н за счет этого диф^ ференцируется на несколько групп, резко различающихся по своей миграционной- способности Щ и доступности для растений. В связи с этим при'изучении и прогнозе поведения цинка необходимо учитывать эту-дифференциацию и изменение соотношения-между: образующимися химическими группами цнпка во времени. * . ..

■ 3. Разработана изотопнонндикаторнаи методика и выполнено определение величины: миграционной способности I?/ для 4,групп соединений.шшка - (2п обмениосорбированный, 2п растительных остатков,.гумусовых.соединений, Ъх прочно фиксированный) в различных генетических горизонтах и разновидностях почв подзолистого типа.. ■. *

Наибольшей способностью к вертикальному перемещению обладает цинк, входящий в состав растительных остатков, для которого величина Я/ в горизонте А0 достигает 0,07 и среднее перемещение за сезон составляет около 4 см. .....г

: Далее по убыванию .миграционной способности ■ следуют цннкгумусовые соединения и обменный цинк. Фиксированные формы цинка мигрируют .только \ в составе тоикоднсперсного материала почвы. Миграционная-;способность для всех, соединений резко падает при переходе от органогенных горизонтов почвы к минеральным.. ..

■ 4." Нисходящее: перемещение- цинка' и составе илистой фракции почв в минеральных горизонтах—величина иезначн-тельная и играет, таким образом, подчиненную роль в общем вертикальном перемещении цинка.

5. Во всех разновидностях исследуемых почв, во всех генетических торизоитах элювиальной части профиля и для всех групп цинка максимальное "вертикальное перемещение наблюдалось в осенний период,'начиная от конца вегетации травянистых растений до зимнего промерзания почвы.

6. Перемещение цинка.по поверхности исследуемых, поча варьирует в очень широких пределах.. В'естественных ценозах под лесной растительностью в наибольших масштабах цинк перемещается по.поверхности в"форме соединений, экстрагируемых водой из лесной .подстилки; (цинк органических остатков и гумусовых соединений).. 'В этом случае , максимальные перемещения при; уклонах тюрядка.0,002—0,003 наблюдал пси в период схода талых..вод и достигали десятков см.

■ На пахотных почвах поверхностное перемещение шшка происходит преимущественно в форме 2,п, сорбированного илистой Фракцией почвы, и варьирует, от десятков до сотен сантиметров за пернод схода талых вод.

7. Масштабы биологического перемещения цинка в составе вегетирующих растений в исследуемых, почвах зависят от его

поступления-из различных химических групп, локализованный на различной глубине, в растения.

Выполнена оценка величин коэффициентов использования различных групп.цинка на различных глубинах в условиях песчаных дер ново-подзолистых почв под луговой травянистой растительностью. Найденные величины варьировали в очень широких пределах — от 80% для цинка, поступившего в форме ¿пСЬ на поверхность почвы, до сотых долей % для цинка, локализованного на глубине 20—30 см.

В первые годы после поступления доступных для растений форм цинка иа поверхность почв, занятых травянистой растительностью, биологический фактор перемещения является доминирующим, т. е. проникновение элемента в нижележащие горизонты осуществляется в составе корневых систем растений. Кроме того, часть цинка переоткладцвается на поверхности в составе надземных растэтельных остатков,

8. Совокупность проведенных исследований по абиогенному и биологическому перемещению ниика показывает! что в естественных условиях оба эти пути имеют место с преобладанием того или иного в зависимости от конкретной природной ситуации. Полученные данные могут быть использованы для теоретической опенки и 'прогнозирования возможного перемещения металлов, поступивших на поверхность почвы.

9. Предложена система экспериментальных параметров для построения прогностической модели абиогенного и биологического перемещения цинка техногенного происхождения в почве по отдельным периодам года. Экспериментальная проверка выполненных расчетов по переносу цинка за 2 года показала в общем удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных данных.

Список работ, опубликованных по .материалам диссертации

1. Талдыкин С. Л. Радноиндикаторные исследования переноса влаги в подзолистых почвах.— Вс. конф. по с.-х. радиологии. Тезисы докладов. М., 1979, с. 271.

2. Рачннский В. В., Фокин Л, Д., Тормасов В. Л., Талдыкин С. Л. Исследование влагопереноса в подзолистых и дерново-подзолистых почвах в осенний и весенний периоды методом радиоактивных индикаторов. — «Известия ТСХЛ>, 1&80, Мг 2, с. 78—87.

3. Фокин Л, Д., Рачинскнй В. В., Талдыкин С.'Л., Ма-зель Ю. Я-, Хегай Т. Л, Радноиндикаторное исследование роли корневых систем травянистых растений в вертикальном перемещении токсичных металлов. — Агрохимия, 1981, № 2, с. 120—124.

4. Рачинскнй В. В., Фокин Л. Д., Талдыкин С. Л. Раднонн-

дйкаторное определение Переноса ьлаги по профилю1 почвй,-— Почвоведение, 1981, № 3, с. 65—69.? - ..

5. Талдыкин С. А., Фокин А. Д., Рачинский В. В: Вымывание хлор-иона из пахотного горизонта'почв, — Почвоведение, 1981, Лв 10, с. 110-^112.' ■ .

Л-101100 22/Ш—82Т., " Объем I п, л. : Заказ 650. Тираж 100

Типография , Московской с.-х. академии нм. К. А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44