Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ИССЛЕДОВАНИЯ МИГРАЦИИ ВЕЩЕСТВА В СВЯЗИ С ГЕНЕЗИСОМ И ПЛОДОРОДИЕМ ПОЧВ ПОДЗОЛИСТОГО ТИПА

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ИССЛЕДОВАНИЯ МИГРАЦИИ ВЕЩЕСТВА В СВЯЗИ С ГЕНЕЗИСОМ И ПЛОДОРОДИЕМ ПОЧВ ПОДЗОЛИСТОГО ТИПА"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

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

На правах рукописи ВАРЛАМОВ Владимир Александрович

УДК 631.42 :631.445.2

ИССЛЕДОВАНИЯ МИГРАЦИИ ВЕЩЕСТВА В СВЯЗИ С ГЕНЕЗИСОМ И ПЛОДОРОДИЕМ ПОЧВ ПОДЗОЛИСТОГО ТИПА

(Специальность 06.01 ЛЗ — почвоведение)

Автореферат 'диссертации на соискание ученой степени ■ кандидата биологических наук

МОСКВА — 1986

>7с о си^ссй^ссс - Ск^

Работа выполнена на кафедре почвоведения Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

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

Официальные оппоненты: доктор географических наук В. О. Таргульян, кандидат- биологических наук Г. А. Соловьев.

Ведущее- предприятие — Всесоюзный почвенный институт имени В. В. Докучаева.

Защита диссертации состоится « Р" » 1986 г.

в «/^Т^часов на заседании Специализированного совета К 120.35:01 в Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Адрес: 127650, Москва, И-550, Тимирязевская ул., 49, Ученый Совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан » г.

Ученый секретарь -Специализированного совета — кандидат сельскохозяйственных

наук Н. А. Гончарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Выполнение решений партии и правительства, - направленных на- повышение лродуктивности сельскохозяйственного производства, охрану окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов связано с углублением изучения почвенных процессов и поиском путей их оптимизации как в . условиях естественных, так и агроэкосистем. В почвах таежной зоны одним из ведущих процессов, с которыми связаны формирование и эволюция зональных почв, поведение и вынос в сопряженные экосистемы элементов минерального питания, сельскохозяйственных ядохимикатов и загрязнителей, являются различные процессы перемещения лри миграции вещества. Традиционно при изучении миграции в данных почвах ведущее место отводилось нисходящей вертикальной * миграции вещества. Между тем, накапливается овсе больше данных, что не меньшее, а во многих случаях большее значение имеет перемещение вещества с боковыми латеральными потоками как по поверхности, так и внутри почвенного .профиля. Кроме того, в миграции вещества ведущая роль, в особенности в условиях естественных ценозов, часто принадлежит прямому перемещению элементов в составе веге-тирующих растений. Однако, исследований, в которых было бы проведено одновременное изучение всей совокупности .главных миграционных потоков и на основании этого были бы выявлены общие генеральные направления и масштабы •перемещения вещества с целью оценки возможных изменений в почвах, выноса из лесных и сельскохозяйственных угодий элементов минерального питания и агрохимикатов и решения других научных и прикладных вопросов пока недостаточно.

Цель и задачи, исследований. Целью исследований было проведение комплексных наблюдений за совокупностью главных, миграционных потоков, включая биологический круговорот и латеральные перемещения вещества, которые могли бы дать птнпгчттр-».мп т.чуончрннор (представление о

ЦЕНТРА/ЬНА-Я НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА Моск. селоскохоэ. внадеьснм им. К. А. Тимирязева

направлении, размерах и возможных последствиях современного перемещения вещества в почвах подзолистого типа в условиях естественных и агрономических ценозов. Для выполнения данной цели необходимо было решение следующих конкретных задач.

1. Изучение направления и величин, характеризующих особенности перемещения почвенной влаги в различных частях почвенного профиля для выбранных объектов.

2. Изучение динамики, концентрации отдельных элементов в водах, поверхностного и внутри-почвенного стока и разработка на этой основе методики расчетных оценок выноса вещества из почвы. „ - .

3. Сравнительная оценка масштабов перемещения вещества в пределах профиля и вертикального выноса из исследуемых почв методом сорбционных лизиметрических колонок.

4: Изучение направления и путей перемещения отдельных элементов изотопноиндикаторным методом.

5. Исследование перемещения элементов в процессе биологического круговорота. .

. 6. Обобщение подученной информации по миг'рацион: ным; процессам и построение общих схем, характеризующих направление и 'масштабы выноса и перераспределения вещества в исследуемых катенах, оценка возможных изменений в исследуемых почвах.

Научная новизна ш практическая значимость работы. Установлено, что в современном абиотическом перемещении вещества в почвах подзолистого типа суглинистых и песчаных, пахотных и целинных ведущая роль принадлежит боковым потокам. Вертикальная нисходящая миграция имеет подчиненное значение. Данное обстоятельство следует иметь в виду при планировании экспериментов и прогнозах, касающихся миграции элементов минерального питания, различных загрязняющих агентов и других веществ в ландшафтах таежной зоны.

Обнаружена' интенсивная деградация иллювиальных А1—Ре-гумусовых аккумуляций, повышенный вынос продуктов "деградации, а также биофнльных элементов в условиях песчаных подзолистых почв при усилении их пироморфизма под влиянием водохранилища. За. короткий срок эти почвы потеряли значительную часть запасов подвижных элементов минерального питания, из-за деградации иллювиальных горизонтов в них нарушилась водорегулирующая функция, что привело к снижению показателей, обеспечи; ■вающих- нормальные лесорастнтельные свойства данных

ПОЧВ- ' -----—

На исследуемых катенах выявлены два важных биогео-хнмических барьера, играющих существенную роль в миграции элементов в таежных ландшафтах: а) мохово-лншай-никовый покров, предотвращающий вынос дефицитных биофильных элементов с поверхностным стоком; б) иллювиальная А1—Ре-гумусовая аккумуляция по периферии болот, препятствующая лоступлению органического вещества, тн-поморфных и биофильных элементов при .поступлении воды из болота в грунтовый сток.

Данные по выносу и перераспределению биофильных элементов в исследуемых катенах рекомендуется использовать для оптимизации внесения минеральных удобрений как в агрономических, так и лесных ценозах, кроме того, эти данные наряду с используемыми методами могут быть использованы для оценки уровня поступления отдельных элементов в воды поверхностного и грунтового стока.

Реализация результатов работы.- Разработаны диаграммы для определения выноса нитратов из слоя почвы 1 м, по имеющимся концентрациям лочвенного раствора, а также по содержанию азота нитратов в слое 50—100 см в смешанном образце. Методические разработки и практические рекомендации используются в Институте охраны природы и заповедного дела МСХ СССР, а также в Институте экспериментальной метеорологии (ИЭМ) город Обнинск, кроме того, в практику научных исследований рекомендуется ловушка для сбора вод поверхностного стока.

Апробация полученных: материалов. Результаты исследований обсуждались на заседании кафедры почвоведения ТСХА (Москва, 1983, 1984); на научной конференции 24— 26 ноября 1983 г. «Проблемы охраны природы в Нечерноземной зоне в связи с интенсификацией с-х производства» Брянск, 1983; на научной конференции 11—14 декабря 1984 г. «Проблемы генезиса и эволюции почв в исследованиях почвенно-агрономического музея им. В. Р. Вильямса» ТСХА, 1984; кроме того, результаты исследований опубликованы в трех статьях.

Объем и: структура работы. Содержание диссертации изложено на 142 страницах, включая 16 таблиц, 19 рисунков, и состоит из введения, обзора литературы, раздела «Объекты и методы, исследования», 5 глав экспериментальной части, заключения, выводов, практических рекомендаций, лриложения. Список цитируемой литературы содержит 296 источников, в том числе 52 — зарубежных авторов.

а

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Глава Л: Роль миграционных процессов в: генезисе и: эволюции почв подзолистого типа

В главе кратко изложены различные концепции, определяющие роль миграционных процессов в формировании, функционировании и эволюции дифференцированного почвенного профиля подзолистого типа.

Обобщение данных о современной миграции (рис. 1) свидетельствует, что нисходящее абиотическое перемещение вещества по профилю не выносит, а наоборот, привносит элементы в эллювиальную часть профиля. Кроме того, различные методы дают неодинаковое представление о масштабах и интенсивности миграции в почвах, что отчасти связано с нарушением режима передвижения плаги при оборудовании в почве различных измерительных устройств (лизиметры, стоковые площадки и т. п.). Это обстоятельство необходимо учитывать при интерпретации полученных результатов.

Анализ литературных данных свидетельствует также, что для получения законченных представлений о роли миграции в образовании и развитии почв . подзолистого типа, помимо традиционных исследований вертикальной абиотической нисходящей миграции вещества, необходимо изучение миграции в процессе биологического круговорота, а также перемещение вещества с боковыми поверхностными и внутрипочвенными потоками почвенной влаги. Отсюда вытекает необходимость проведения исследований ' не только на. профильном уровне, но и на уровне почвенной ка-тены.

Глава 2. Объекты?и методы исследований

Натурные наблюдения за современной миграцией вещества проводились на четырех почвенных катенах. Три кате-ны с целинными почвами включали комплекс подзолистых, дерново-подзолистых, болотно-подзолистых и болотных почв на суглинистых и песчаных отложениях (Московской и Ярославской областей). Одна катена представляла собой сопряженный ряд дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почв различной степени смытости (Московская область).

В связи с поставленными задачами использовались следующие методы и приемы исследования современной миграции вещества на почвенных катенах.

1. Исследование потоков ¡перемещения почвенной влаги с использованием изотопной (36С!) и неизогопной меток.

4

1*0.г. Обсбщзвныа sxzepsTjpaue датаыэ о ссэречввноа ниоходяцай •• киграцкн некоторых веществ и глаиевхав в продав почв водзоххстого'пша по лиэниетричвоюл» даннии /в отвося-твльных едвгажцах» га единиц? принято комчэство взцест-se, выкнвапого кз горизонта 10/.

• • 2. Оценка концентрации мигрирующих веществ в водах поверхностного н внутрипочвенного стока , и последующий расчет миграции вещества на основании данных о перемещении почвенной влаги.

3. Оценка путей и масштабов перемещения вещества с использованием изотопноиндикаторного метода.

4. Изучение абиотической вертикальной и боковой миграции методом лизиметрических хроматографических колонок.

5. Оценка перемещения вещества в процессе биологического круговорота (биологическая "миграция) на основании изучения опада, распределения корней в почвенном профиле и аналитических исследований (-зольного состава опада.

Большая часть химических аналитических определений выполнена на а томно-абсорбционном спектрофотометре «Регкт Е1тег-503». Радиометрические определения проводились на сцннтилляшшнных (фирмы «Валак» Кошру ]атта, СРП-2), и газоразрядных (Т 25-БФЛ, СБТ-13) счетчиках на кафедре прикладной атомной физики и радиохимии ТСХЛ.

Глава 3. Исследование миграции влаги в-катенах

Результаты предыдущих исследований (Фокин А. Д., 1975, 1978; Рачинский В. В. и др., 1978) и дополнительные эксперименты позволили получить обобщенные представления о направлении и величине перемещения почвенной влаги в пределах почвенного профиля на исследуемых катенах -(табл. 1). В свою очередь, данные, (Представленные в таблице 1, позволяют расчетным путем оценить величины выноса влаги из метровой почвенной толщи за счет нисходящего (инфильтрация) и бокового перемещения поверхностным и внутрипочвенным стоком (таблица 2).

Результаты проведенных исследований свидетельствуют, что во всех объектах создаются условия не только вертикального нисходящего перемещения вещества, но и бокового с поверхностным и внутрипочвенным стоком. Особенно благоприятные условия для миграции и выноса вещества с поверхностным стоком наблюдаются на пахотных, почвах. В песчаных почвах значительное перемещение влаги с поверхностным и бокозым внутрипочвенным стоком отмечалось в условиях близкого залегания грунтовых вод, например, под влиянием подтопления водохранилищем (ДГЗ) или в пониженных участках катены. Полученные данные позволяют оценить масштабы выноса различных веществ из исследуемых, почв за счет нисходящих и боковых пото-

Таблица 1

Средневзвешенные значения и варьирование вертикальной: и горизонтальной (внутрилочвенной) составляющих перемещения влаги в исследуемых почвах (см/год) .-

Почва, катена

Вертикальная составляющая

Горизонтальн ая составляющая, внутрипочаеяного: стока

Дерново-подзолистая тяжелосуглинистая под лесом. (Б- Раст, Моск. обл.) ......". .

Дерново-подзолистая тяжелосуглинистая пахотная (к-з «Путь

Ленина» Моск. обл.).....

' .Песчаная дерново-подзолистая слабодифференшгрованная под лесом, верхняя часть катены (Вер.билкл, Моск. обл.) . . . .

'Там же, нижняя часть катены, подзол иллюввально-гумусовый , Подзол иллювшлшо-железис-то-гумусовый глеевый ДГЗ (Ярославская обл.) . ........

4&±Ш 50 ±>17

67 ±20

аэ±то 38±1'1'

40 ±ИЗ 47 ±¡15

24 ±10 60± 16

,106±23

ков.. Для этой цели необходимы сведения о концентрациях мигрирующих веществ в водах поверхностного и внутрипоч-венного стока в различных частях почвенного профиля.

Т аб л и ц а 2 ,

Оценка выноса воды из исследуемых объектов в результате инфильтрации ■ с поверхностным < и внутрипочвенным стоком (в мм/год)

Почва,- катена Вертикальный вынос ИЗ ТОЛЩИ' в <1 м Вынос с поверх* костным и внут-■рипочвениым стоком

средние значения вероятны й разброс средние значения вероятный разброс

. |Дерново-этодзолз!стая тяжело-сутлинистая под лесом (Белый Раст) . . .'.....к. .

' 'Дерново-подзолистая тяжато-сутлинистая пахоткая, к-з «Путь Ленина» . . . .......

' Песчаная ' дерноао-лодзо.тистая слабодифферешшрованная под лесом (Вербилки, верх катены) .

Подзол иллювиальный Ре-гумусовый (Вербилки, низ катены) . '. ДГЗ Подзол идлювиально-же-лелисто-гумусовый глеевый . .

1*56

130

190 110 80

102—210

78—1.62

1,14—266 67—154 48—112

100

'145

110 1190 220

57—143

102—138

87—133 117—263 142—293-

Глава 4. Концентрация и вынос некоторых веществ водами поверхностного и внутрипочвенного стока

Наблюдения за концентрацией- веществ в водах, поверхностного стока проводились в пробах, отобранных с помощью, специально сконструированных ловушек, которые размещались в различных частях, катены. Отбор проб проводился в течение 2—3 лет в различные сезоны, когда наблюдался поверхностный сток. Концентрации сильно варьировали во времени и в пространстве. Соответствующие данные приведены в диссертации. Концентрации веществ во внутрнпочвенном стоке определялись в пробах, отобранных из вертикальных скважин, заложенных в различных частях профиля. По различным техническим причинам мы не располагаем полными данными о концентрациях веществ в водах внутрипочвенного стока на глубине порядка 1 метра, по сравнению с данными о концентрациях в водах поверхностного стока.

Полученные данные свидетельствуют, что для всех элементов, за исключением кремния, концентрация в поверхностном стоке значительно выше, чем в почвенном. Это объясняется повышенной экстрагируемостью практически всех элементов из растительного опада по сравнению с минеральной частью почвы, а также значительным снижением сорбционных и иных процессов поглощения из вод поверхностного стока по сравнению с водами, фильтрующимися через слой почвы. Низкая концентрация кремния в водах поверхностного стока объясняется, по-видимому, относительно невысоким содержанием этого элемента в лесном опаде.

Полученные значения концентраций позволяют расчетным путем оценить вынос элементов из исследуемых , катен с поверхностным стоком и в процессе инфильтрации, используя данные, представленные в таблице 2 по выносу воды (табл. 3).

Ввиду сильного варьирования в содержании нитратов во всех исследуемых почвах, а. также ничтожной их сорби-руемости предлагается иной способ расчетной оценки выноса нитратов в процессе инфильтрации из метровой почвенной толщи с использованием специальных диаграмм, представленных на рис. 2. Оценка может быть выполнена двумя независимыми способами по средневзвешенной концентрации нитратов в слое 90—100 см в периоды активного вертикального выноса, которые по многолетним наблюдениям приходятся на периоды 10 апреля—10 мая и 1 октября—15 декабря, а также, по. средневзвешенному содер-

Таблица 3

Расчетная оценка выноса элементов с водами поверхностного стока и в процессе инфильтрации (кг/га)

Почва, катена Сток Орган, в-во БЮг РегО, А1А СаО МпО 2пО КгО РА N КОз

Дерново-подзолястая тяжелосуглинистая под лесом, «Белый 1'аст» . . . ... . , . . . поверхн. внутрипочвеи. всего 91 08 132 И5 115 0,7 0,45 .1,15 1.8 0.22 2,0 6,2 Я,9 7,1 '1,0 0,6 0,7 0,04 0,09 0,15

• Дерново-похзслистая тяжело-суглкнистая ¡пахотная, к-з «Путь Ленина» . .'»'.„.'..;. поверхн. внутрипочвеи. всего 08 ,18 (86 93 сч ст> ООО 2,5 0,90 зла 12.0 13,6 — 0,03 0,22 15,1 8,24 'зз 14 47

Песчаная дерново-шщолистая слабодифференцированная (верх катены) «Вербилки» . , . . . поверхн. внутрипочвеи. всего 125 63 ш 25 41 «6 2.1 0ДЭ 2,4 3,6 '1,1 ■4,7 ,5,5 112 0,26 — 3,6 —

■ «ДГЗ» Подзол иллювиально-же-лезисто-гумусовий глеевый . . . поверхн. внутрипочвеи. всего 211 27 238 117 8,4 20,5 95 >1,1 0,92 0,11 8,4 —

Примечание: Значения коэффициентов варьирования лежат в пределах 50—80%.

Pao.2. TJierpawuu для оцевки выноса нитратов в процессе инфильтрация вз натровой почвеввой тоии; 1,2-пвочаны1 пота« 8»4-оумжзвстздс почв.

С мг/л - ковпэвтрвцяя вптратоа в вочэвзвом раствора в периоды 10 епрвля-10и8я и I октября - 15 даибря в сдое почвы 90 - 100 см. ' cj «г/кг - средвевввашвввое содержание внтрвтов в слое почвы 50 - 100 cv /смешенный образен/ в периоды 10 апреля -10 пая в I октября -15 декабря.

жанию нитратов в слое 50—100 см (смешанный образец) для тех же периодов.

При построении диаграмм принимались во внимание средние значения выноса воды из метровой толщи? почвы в процессе вертикального промачивания, средние значения путей переноса воды Bt слое 50—100 -см, а также средние значения- влажности почвы в периоды активного нисходящего перемещения влаги в том же слое.

Представленные диаграммы предлагается' использовать для оценки выноса нитратов из метровой толщи суглинистых и песчаных дерново-подзолистых почв.

Представленные в настоящей-главе данные свидетельствуют, что во всех исследуемых катенах большая часть вещества (70—90% для различных элементов) выносится с поверхностным стоком. Полученные данные обнаруживают также определенные различия выноса вещества в исследуемых почвах. Этот вопрос целесообразно обсудить после рассмотрения результатов, полученных в лизиметрических и изотопноиндикаторных исследованиях.

Глава 5. Лизиметрические исследования

Используемый в опытах метод лизиметрических хрома-тографических колонок (П. С. Кауричев, Е. М. Ноздруно-ва, 1959) позволяет определить вынос соединений из отдельных горизонтов почвы и почвенного профиля в целом, осуществляющийся в результате вертикальной нисходящей миграции вещества.

Поскольку на части исследуемых объектов ранее проводились многочисленные лизиметрические исследования (И. С. Кауричев, 1957, 1959, 1964, 1965, 1977; Л. Д. Фокин, 1975, 1978; Е. II. Шестаков, 1984 и др.), основные наблюдения были выполнены на гидроморфной катене ДГЗ и полученные данные сопоставлялись с литературными данными ■по другим катенам.

Абсолютные величины по миграции, полученные лизиметрическим методом, часто бывают более или менее завышены, вследствие нарушения естественного сложения почвы при закладке лизиметра и повышенной фильтрации почвенного раствора через объем лизиметра по сравнению с ненарушенной почвой, а также по другим причинам. Поэтому лизиметрические данные целесообразно использовать только для относительного сравнения характера миграции в различных объектах. Такое сравнение свидетельствует о повышенном уровне выноса типоморфиых элементов,, гумусовых веществ, а также биофильных элементов из подзолистых почв, находящихся в условиях повышенного гидро-

морфизма под влиянием водохранилища. На причинах этого остановимся ниже. В пахотной почве снижается вертикальный вынос гумуса и типоморфных элементов, но приблизительно на порядок возрастает вымывание Ca, Р к К.

Глава 6. Изотопноиндикаторные исследования' и общие результаты изучения абиотической миграции:

Особенность и преимущество исследования миграции веществ в почвах, изотопноиндикаторным методом заключается в том, что данный метод позволяет проводить прямое наблюдение за перемещением конкретной химической формы элемента или нескольких форм в почвенном профиле, изучать направление перемещения, оценивать пути перемещения и т. п. Кроме того, в ряде случаев меченое соединение может вводиться в почву без нарушения се естественного сложения.

Исследования, проведенные ранее на катеиах Б. Раст (Л. Д. Фокин, 1975; Е. И. Шестаков, 1984), в общем, подтвердили закономерности миграции, полученные при оценке выноса по концентрации растворов, а также-лизиметрическим методом. Кроме того, были оценены значения миграционной способности Rf и средние величины годового перемещения Fe, iMn и некоторых других элементов, были выявлены особенности их поведения в исследуемых почвах. Так, например, было установлено, что средние величины Rf для подвижных форм железа на песчаных подзолистых почвах (Вербилкн) лежали в пределах 0,025—0,050, а при подтоплении аналогичных почв (ДГЗ) величина-Rf возрастала до значений 0,13—0,33. Таким образом, изотопноиндикатор-ный метод дал возможность зафиксировать увеличение з 5—6 раз миграционной способности железа при усилении пироморфизма. Усиление подвижности железа под влиянием пироморфизма проявилось на почвах ДГЗ в разрушении и деградации иллювиально-железисто-гумусовых го--ризонтов. Скорости этой деградации также были оценены изотопноиндикаторным методом путем введения в почву образцов иллювиально-железисто-гумусовых горизонтов, содержащих меченое железо (таблица 4).

С ломохцью изотопиоиндикаторного метода были установлены также направления и пути перемещения ряда элементов, входящих в состав опада -на исследуемых катенах. Результаты этих исследований представлены в главе 7 о биологическом круговороте.

Совокупность исследований абиотической миграции вещества доказывает, что наиболее полное представление об изучаемых процессах может быть достигнуто при использо-10

Таблица 4

Сравнение вымывания Ре • из иллювиальных Ре-гумусовых горизонтов песчаных подзолистых почв в обычных условиях-и условиях подтопления

Показатели Обычные условия В условиях повышенного гидром орфизма

Вымывание подвижных (изо-

топно-обменных) форм Ре в % .1-6-30

от исходного-за '1: год . . . . 0,5— 1

.Расчетное знамение вымывания

валового Ре, % за 1' год . . . 0,1—0,5 5—16

Среднестатическое перемещение 0,5—1' 8—20

метки см/год........

вании различных методов. В то же время при оценке одних и тех же показателей различные методы часто дают разноречивые результаты. Например, вертикальное вымывание железа (РегОз) из горизонта До тяжелосуглинистой подзолистой почвы,', оцененное различными методами, дало следующие результаты (кг/га •■год): расчет по концентрации раствора и данным водного баланса — 0,45; оценка изотоп-ноинднкаторным методом — 0,63; оценка лизиметрическим методом с использованием окиси алюминия 10 (Е. И. Шестаков, 1984); лизиметрический метод с использованием тонкорастертого активированного угля —0,47.

Оценивая эти результаты, следует отметить, что лизиметрический метод, по-видимому, менее точно, чем другие,, дает представление об абсолютных масштабах процессов.' В данном примере вынос железа из До не может достигать' 10 кг/га • год, поскольку его годовое поступление с наземным опадом в 5—10 раз ниже этой величины. Поэтому при абсолютных оценках в последующих расчетах использовались, в основном, результаты, полученные изотопноиндика-торным методом или рассчитанные ло концентрациям растворов. Результаты лизиметрических методов использовались преимущественно для сравнительных относительных оценок.

Проведенные исследования показали, что на всех объектах необратимый вынос вещества осуществляется преимущественно за счет поверхностного стока, а в песчаных почвах еще и бокового внутрипочвенного стока. Во втором случае выносимые вещества могут достигать грунтовых вод, если на своем пути не встречают биогеохимических, барьеров, например; в форме гидрогенных Л1—Ре-гумусовых аккумуляций, роль которых будет показана ниже.

. Усиление гидроморфизма вызывает значительное возрастание объема выноса как типоморфных, так и биофильных

элементов ■ из почвы, что ведет к их обеднению и ухудшению лесорастительных свойств. В данном случае вынос связан с возрастанием поверхностного и внутрипочвенного стока, в особенности в летний период.

Глава 7, Роль биологического круговорота в миграции вещества на исследуемых почвах

Биота не только косвенно влияет на миграционные процессы, переводя элементы в более миграшгонно-способные и подвижные формы за счет формирования водорастворимых мннерально-органнческнх соединений. В' любом ценозе, в особенности в лесном, растения .поглощают вещества из корнеобитаемой зоны, причем центр поглощения в исследуемых почвах находится на глубине 8—16 см, т. е. в эллювиальной части профиля, и частично перемещают элементы на поверхность почвы с наземным опадом. Получены данные о масштабах миграции вещества в биологическом круговороте, которые свидетельствуют, что они значительно (в 2—100 раз) превосходят масштабы абиотического миграционного выноса вещества из почвы. Кроме того, нзотопноиндикаторные наблюдения за судьбой элементов наземного опада в естественных ценозах свидетельствуют, что практически весь необратимый вынос происходит за счет элементов, прошедших через биологический круговорот. В агроценозах, естественно, значительная-доля выноса приходится на элементы нз минеральных удобрений.

Таким образом, общая схема современного выноса ве-ще'ства из подзолистых почв в южной тайге в условиях естественных ценозов протекает по схеме: биологическое поглощение элементов -»■ возврат на поверхность почвы с наземным опадом частичный вынос с поверхностным, а в песчаных почвах и с боковым внутрипочвенным стоком. Вертикальная нисходящая миграция имела подчиненное значение.

Заключение

Наблюдения в динамике за концентрацией элементов в различных частях исследуемых катен, прослеживание потоков и аккумуляции веществ изотопноиндикаторным методом позволили в первом приближении получить пространственную картину миграции, перераспределения и аккумуляции некоторых элементов внутри исследуемых катен. На основании этих данных была предпринята попытка построения почвенных планов катен, в которых отражены представления об основных миграционных процессах. При этом было подтверждено и обнаружено вновь существование некоторых. биогеохимических. барьеров, играющих существенна.

•ную роль в перераспределении веществ внутри.катены. и их выносе за пределы катены. Полученные «Схемы процессоз миграции и аккумуляции вещества в почвенных катеиах» имеют контуры,, лишь частично совпадающие с традиционным почвенным планом.

Выводы

1. Для получения относительно полного представления о направленности и интенсивности современного перемещения вещества в почвах необходимо одновременное изучение всех, главных миграционных потоков, хак биологической, так и абиотической природы, имеющих различную направленность: вертикальную нисходящую и восходящую, горизонтальную поверхностную и внутрипочвениую. Необходимость изучения горизонтальных перемещений (наряду с •вертикальными) ставит требование проведения исследований миграции на более сложном уровне, чем профильный, •например, на уровне почвенной катены.

2. Сравнительный анализ современных миграционных потоков вещества на 4-х почвенных катетах с подзолистыми и дерново-подзолистыми почвами (из которых одна катена на лахогных почвах), имеющих различные уклоны (0,005— 0,03), показал, что необратимый вынос вещества за пределы почвы (катены, водосбора) осуществляется преимущественно за счет бокового поверхностного стока. В песчаных -почзах значительный вклад в общее перемещение вещества, оказывающий влияние на формы современной иллювиальной аккумуляции, вносит боковой внутрипочвенный сток. Нисходящая вертикальная миграция имеет меньшее значение. Различия между отдельными объектами (песчаные и суглинистые почвы, целинные и пахотные) заключаются также в интенсивности потоков, качественном составе выносимого материала, сезонных особенностях миграции и т. д.

3. Особенностью современной миграции вещества в подзолистых и дерново-подзолистых почвах, находящихся в условиях естественных ценозов, не подверженных значительному антропогенному воздействию, является преобладание потоков, непосредственно связанных с биологическим круговоротом. Наиболее масштабный поток мигрирующего вещества заключается в поглощении зольных элементов и азота высшими растениями из корнеобитаемой зоны почв (преимущественно из нижней части Ло и элювиальных: горизонтов) и возврата- на поверхность с наземным опадом (100—170 кг/га «год при среднем перемещении 8—<10 см). В этих условиях абиотические миграционные потоки вещества с почвенной влагой включают преимущественно эле-

менты, освобождающиеся нз опала, которые частично возвращаются в корнеобитаемую зону за. счет вертикальной нисходящей миграции и перемещаются в лочве под действием внутри-почвенной боковой миграции влаги.

4. Масштабы необратимого выноса основных типоморф-ных и биофильных элементов в условиях естественных ценозов приблизительно составляют (кг/га • год) для суглинистых почв: органическое вещество—150; БЮг—130; Ре203 — 1; Л120з —2; N — 6, Р203 — 0,1; К20— 1,7; для песчаных почв: органическое вещество — 200, ЭЮг — 70; Ре203—1—2; Л1г03 —2-5; N — 7; Р205 — 0,1; К*0 — 3. Эти уровни в первом приближении соответствуют масштабам ежегодного вовлечения в биологический круговорот перечисленных элементов из почвенных- минералов. Усилению выноса биофильных элементов, приводящему к снижению продуктивности леса, способствует уничтожение напочвенного покрова, в особенности мохово-лишайникового, поглощающего дефицитные элементы минерального питания, выносимые с поверхностным стоком, и способствующего переводу поверхностного стока, во внутрнпочвенный, препятствуя промерзанию почвы.

5. Общей чертой миграции вещества, в почвах, находящихся под влиянием двух совершенно различных видов антропогенного воздействия (распашка и усиление пироморфизма лод влиянием водохранилища), является значительное усиление масштабов необратимого выноса вещества: из почвы, причем значительную долю в выносе занимают потоки, не имеющие непосредственной связи с биологическим круговоротом, т. е. выход почвы нз состояния относительного равновесия сопровождался значительным усилением масштабов абиотической миграции вещества..

6. Длительное сельскохозяйственное использование дерново-подзолистых суглинистых, почв .приводит к существенным изменениям режима миграции вещества. В составе почвенных растворов существенно (в 2 раза) снижается концентрация органического вещества, Ре и А1, возрастает доля и абсолютное содержание биофильных элементов — азота нитратов, фисфора, кальция. Источником последних являются как почва, так и удобрения. В ряде случаев в составе почвенных растворов и мигрирующих взвесей появляются остатки сельскохозяйственных ядохимикатов.

В пахотных почвах иногда создаются условия для незначительного возрастания миграции вещества с горизонтальным внутрнпочвенным стоком. Существенное усиление вертикальной нисходящей миграции отмечается для нитратов, а также некоторых балластных веществ минеральных удобрений (хлориды, сульфаты). Среднее линейное переме-

И

щеиие фронта этих веществ составляет 30—60 см/год, хотя отдельные опережающие потоки по трещинам, ходам корней и т. п. могут достигать 1,5 метра/год.

Основные необратимые потери вещссюа из .пахотных почв происходят в форме жидкого и твердого поверхностного стока: Это связано, прежде всего,: со снижением сорбции при поверхностном перемещении вещества, усилением "эрозионных процессов, а также с возрастанием участия поверхностного стока в общем балансе влаги в пахотных почвах. Данное обстоятельство превращает, в ряде случаев, пахотное -поле в источник загрязнений сопряженных наземных и водных экосистем. Получены данные, позволяющие в первом приближении оценивать и прогнозировать вынос вещества из пахотных почв. ■ • -

7. Значительное изменение под • влиянием водохранилища водного режима территории, занятой песчаными подзолистыми и болотно-подзолистыми, а также болотными почвами, в частности, подъем уровня грунтовых вод. выше иллювиальных горизонтов почвенного профиля, нер'егулярные изменения уровня в летний период и другие привели к развитию в почвах необратимых трансформационных процессов и существенному изменению интенсивности и направленности миграции вещества. Под влиянием усиления пироморфизма обнаружено разрушение иллювиальных горизонтов и необратимый вынос продуктов разрушения с горизонтальным внутрипочвеиным стоком, а также с водами, выклинивающимися на поверхность по тальвегам. Этот вынос сопровождается образованием различных форм современной поверхностной и внутрипочвенной аккумуляции железа и других продуктов разрушения по путям миграции. Выносу вещества латеральными потоками влаги способствует высокий уровень грунтовых вод, благодаря которому снижается вертикальное промачивание почвенной толщи и усиливаются боковые потоки, которые преобладают даже в летний период.

Усиление поверхностных потоков почвенной влаги увеличивает и интенсивность вымывания и необратимый вынос биофильных элементов из верхних горизонтов почвы, в особенности, из Ао.

Таким образом,, в результате значительного .усиления гидроморфизма под влиянием водохранилища песчаные почвы подзолистого типа теряют значительные количества биофильных и типоморфиых элементов, что вызывает изменения в биопродуктивности почв, в водорегулирующих, функциях почвы из-за деградации водоупорных иллювиальных горизонтов. Отмеченные изменения могут стать причиной дальнейшей более глубокой трансформации всех эле-

ментов биогеоценозов на территории, находящейся в зоне влияния водохранилища.

Практические рекомендации

1. В практику научных исследований рекомендуется оригинальная конструкция ловушки для сбора вод поверхностного стока.

2. Разработаны и рекомендуются в практику диаграммы для оценки выноса нитратов из слоя почвы 1 м по имеющимся концентрациям почвенного раствора и по содержанию азота нитратов в слое почвы 50—100 см в смешанном образце.

3. При крупномасштабном картировании сельскохозяйственных угодий рекомендуется выделять зоны с различным проявлением поверхностной миграции и аккумуляции вещества. В частности, для пахотных суглинистых почв целесообразно выделять следующие четыре зоны:

В — зона, для которой характерен только вынос вещества;

В/Л — зона, в которой происходит как вынос, так и переотложение выносимого материала, но преобладает вынос.

Л/В — зона, то же, что и в предыдущем случае, но преобладает аккумуляция.

А — зона, для которой характерна только поверхностная аккумуляция вещества.

Список опубликованных- работ:

1. Фокин Л. Д., Варламов В. Л. Некоторые изменения песчаных подзолистых, почв под влиянием водохранилища.— В кн.: Проблемы охраны природы в нечерноземной зоне в сзязи с интенсификацией сельскохозяйственного производства. Тезисы докладов научной конф. 24—26 ноября 1983 г. Брянск, 1983, вып. 2, с. 50.

2. Фокин Л. Д., Варламов В. Л., Манькова Т. С. Миграция железа в песчаных 'подзолистых почвах при усилении пироморфизма под влиянием водохранилища. Почвоведение № 6, 1984, с. 31—39.

3. Фокин Л. Д., Варламов В. А. Миграция Ре в песчаных подзолах различной степени гидроморфности. Деп. во ВНТинформцентра, инв. № 0284 0 037022.

л-60774 17/П—86 г. Объем 1 п. л.

Заказ 323.

Тираж 100

Типография Московской с.-х. академии им. К. А. Тимирязева 127050, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44

Бесплатно