Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Почвенно-экологический мониторинг процессов переноса воды и веществ в модельных дерновоподзолистых почвах в условиях многолетнего лизиметрического опыта

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Почвенно-экологический мониторинг процессов переноса воды и веществ в модельных дерновоподзолистых почвах в условиях многолетнего лизиметрического опыта"

о

На правах рукописи

УМАРОВЛ АМИНАТ ВАТАЛЬБИЕВНА .

ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ВОДЫ И ВЕЩЕСТВ В МОДЕЛЬНЫХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕГО ЛИЗИМЕТРИЧЕСКОГО ОПЫТА.

Специальность Об. 01. 03 - агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1995

; Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета Почвоведения Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор А. Д. ВОРОНИН

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук А. Г. БОНДАРЕВ

кандидат биологических наук Н. Е. ПЕРВОВА

Ведущее учреждение - Центральная торфо-болотная опытная станция

Защита диссертации состоится 13 декабря 1995 г. в 15 ч. 30 мин. в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета по почвоведению К-053. 05. 16 в МГУ им. М. В. Ломоносова.

Адрес: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, факультет Почвоведения, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан "_"_1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г. 13. Мотузова

Актуальность работы. Изучение эволюции почб тесным образом связано с процессами передвижения влаги и вещества по почвенному профилю. Сложность полевых исследований почвообразовательных процессов заключается в естественной пространственной вариабельности свойств почв, невозможности точного учета поступающих осадков и веществ вследствие существования микрорельефа. Этих недостатков лишен лизиметрический метод исследования почв.

С помошыо этого метода возможно детальное изучение влияния систем мелиоративной обработки на гидрологические свойства почв, на преимущественные формы передвижения влаги и вещества, которые являются малоизученными. Кроме того, нахождение объекта исследования в черте промышленного города делает актуальным еще один аспект в почвенно-экологическом мониторинге изучаемых почв: возможность оценки накопления и транспорта сквозь почвенную толщу загрязняющих веществ (тяжелых металлов).

Цель работы. Почвенно-экологический мониторинг процессов переноса воды и вещества в дерново-подзолистых почвах с различными системами обработки в долговременном лизиметрическом опыте.

Задачи исследования:

1. Оценить трансформацию основных физических свойств модельных дерново-подзолистых почв.

2. Исследовать закономерности формирования лизиметрического стока в многолетнем аспекте.

3. Изучить изменения химического состава почв в связи с особенностями поступления и выноса веществ.

4. Оценить сезонную динамику поступления и выноса тяжелых металлов, изменение содержания тяжелых металлов в многолетнем цикле.

Научная новизна. Показано, что физические свойства почв, наряду с их "консервативностью", определяемой материнскими породами, активно реагируют на внешние воздействия, что сказывается на гидрологии почв. Вынос ряда химических веществ в профиле модельных дерново-подзолистых почв определяется периодами переувлажнения и формой движения почвенной влаги, зависящими от свойств верхнего слоя почв и погодных характеристик.

Практическая значимость: Материалы данной работы могут быть использованы при разработке методик по организации почвенно-экологического мониторинга с учетом возможностей различных почв к заметной миграции микро- и макроэлементов, поступления и накопления ТМ в почвах, для разработки почвозащитных экологических мероприятий.

Апробация диссертации. Основные положения работы были представлены и докладывались: на конференции Молодых ученых МГУ "Современные проблемы почвоведения и экологии" (Красновидово, 1994 г.), на конференции "Вопросы агрофизики при воспроизводстве плодородия почв" (Санкт-Петербург, 1994 г.), Международной научно-практической

конференции "Пути рационального использования земельных ресурсов" (Киев, 1995 г.), на заседании кафедры физики и мелиорации почв МГУ (Москва, 1995 г.).

Публикации: По теме диссертации опубликовано и подготовлено к печати 8 работ.

Структура И объем работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов,списка литературы и приложения, содержит машинописного текста, имеет с приложением рисунков. Список литературы содержит наименований.

ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВ С ПОМОЩЬЮ ЛИЗИМЕТРОВ

Лизиметрический метод исследования процессов, происходящих в почве даст возможность изучения как одного узкого направления, так и целого набора факторов, их взаимного влияния друг на друга. Широко известными являются работы Вольни и Баракова по зависимости инфильтрации от растительности и механического состава, разработки Вельбеля на Плотянской опытной станции, исследования Эбермайсра, Людекса, Гем-мерлинга, Каминского, Лебедева, Иоффе, Роде и др. по изучению водного баланса. Изучение переноса веществ с помощью лизиметров проводились Бобрицкой, Шиловой, Смирновой, Кауричевым и многими другими в нашей стране, Людексом, Юнге, Лионом и Бицелсм, Морганом, Колье и др. за рубежом. В работах Миндермана и Лифлянга, Дегсрсна, Юпочарева, Колье, Копценс и_других исследовался'вопрос влияния различных типон растительности на баланс влаги и веществ в почве.

В последнее время использование лизиметров для изучения переноса веществ стало актуальнее в связи с увеличивающимся загрязнением почв и грунтовых вод. Вопрос возможности появления тяжелых металлов, пестицидов и других загрязнителей в инфильтрацпонных почвенных водах является одним из важнейших при характеристике экологических функций почв (Добровольский, Никитин, 1986 ).

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являются дерново-подзолистые среднесугли-нистые почвы, привезенные в 1960 г. из Подольского района Московской области и помещенные в закрытые лизиметры на Почвенном стационаре МГУ на Воробьевых горах по горизонтам (Орешкииа, 1972). Лизиметры представляют собой цементные емкости выложенные керамической плиткой плошадыо 9 м2 и глубиной 1,75 м. Были изучены следующие варианты почв с различными системами мелиоративной обработки с соответствующими строениями почвенного профиля.

Метод сверхглубокого плантажа, предложенный Б. Г. Ганжой и В. П. Бушинским, заключается в выворачивании на поверхность иллювиального горизонта, который после комплекса агротехнических мероприятий теряет свою токсичность. По мнению авторов происходит разрушение подзолистого горизонта, почва приобретает более рыхлое строение, создаются благоприятные условия для растений. Глубокая обработка должна производится

один раз, далее почна пашется на обычную глубину. Профиль- модельной помпы: 132(0-43), ВЦ43-65), А2(65-80), Ап(80-100), 132(100-120), 133(120-150);

Прием трехъярусной вспашки с помощью специально сконструированного плуга был предложен академиком В. П. Мосоловым с целью обогащения питательными элементами верхних слоев почвы и улучшения сложения почвы. Ярусная вспашка также должна производится один раз. Профиль модельной почвы в этом варианте: Ап(0-20), В 1(20-45), А2(45-б0), В2(60-120), 133(120-150).

Профиль почв контрольного варианта: Ап(0-20), А2(20-35), В1 (35-60), В2(60-120), В3( 120-150).

В 1961 г. была произведена закладка лизиметров, почва уплотнялась послойно смачиванием (по личным записям Корчагиной). Осенью 1963 г. был внесен торф из расчета Ю0т/га, нитроаммофоска из расчета 60 кг действующего вещества/га и известь из расчета 4, 5 т/га, в последующие годы до 1973 г. минеральные удобрения вносились по полной норме, затем до 1985 г. чередовались с половинной дозой. Кроме того, в 1969 г. был внесен-торф и компост (80г/га). В течение 30 лет достаточно регулярно поддерживался семипольный севооборот.

Методы исследования. В данной работе представлены результаты гранулометрического ( по Качинскому), структурного анализа ( метод Савви-нова), водопрочности агрегатов, плотности твердой фазы и плотности почвы (Вадюнина, Корчагина, 1975).

Был выполнен валовой анализ почвенных образцов, отобранных в 1961, 1983 н 1993 гг. в 2-х повторностях на энергодисперсионном рентгенофлюо-ресцентном спектрофотометре, тем же методом были определены некоторые тяжелые металлы (2п, Си, РЬ, №), содержание гумуса - по методу-Тюрина, атомно-абсорбционным методом определялись следующие элементы: Са, К"^, К, N3, Ре, А1, Мп, 2.п, Си, РЬ в лизиметрических водами осадках.

Следует отметить, что в работе использовались данные из фонда кафедры физики и мелиорации почв, полученные различными исследователями в 1961-80 годах, проверенные и в ряде случаев повторно проанализированные автором.

ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОДЕЛЬНЫХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ

Во всех вариантах произошли значительные изменение в механическом составе почв за 34 года во всех вариантах обработки почв (табл. 1). К 1994 г. наблюдается некоторое облегчение гранулометрического состава, в основном, за счет уменьшения содержания илистой фракции во всех горизонтах профиля и относительное обогащение песчаной фракцией и фракцией крупной и средней пыли.

Следует отмстить и характерные особенности вариантов. В варианте глубокого плантажа при закладке опыта верхняя часть профиля отличалась высокими значениями содержания илистой фракции - 32, 4%. К 1994 г. наблюдается некоторое снижение содержания ила в верхних В2 и В1, высокие значения и погребенных А2 и Ап. Сама форма распределения илистой фракции по профилю сохранилась, но в менее выраженном виде. Для данного варианта обработки можно отметить и относительное увеличение количества песчаной фракции по всем горизонтам и особенно в ВЗ до 28, 7%.

"I дблипа 1

Гранулометрический состав модельных почв и гранулометрические _показатели по П.Н.Березину (1983)._

Вариант Год Горизонт, Содержание фракции, % Гранул, показатели

глубина <1 мкм 1-5 мкм 5-10 мкм 10-50 мкм >50 мкм Ф5 К п альфа

Контроль 1960 Ап(Ю) 9 12 и 56 13 21 0.53 2.2 23

А2(30) 16 12 9 52 11 28 0.36 2.3 23

В1(50) 33 11 8 36 13 44 0.17 1.9 27

В2(70) 32 11 8 38 11 43 0.17 2.0 25

В2(90) 32 11 8 38 и 43 0.17 2.0 25

В2(110) 32 11 8 38 11 43 0.17 2.0 25

В3(130) 24 7 7 57 6 31 0.15 2.9 22

1994 Ап(10) 8 11 14 58 10 18 0.55 2.2 20

А2(30) 20 8 13 53 6 28 0.50 2.4 19

В1(50) 19 20 11 43 7 39 0.44 2.2 20

В2(70) 24 10 12 27 27 34 0.22 1.2 37

В2(90) 21 9 10 42 18 30 0.21 1.8 28

В2(110) 25 13 12 36 14 38 0.25 1.7 24

В3(130) 19 19 11 24 26 39 0.43 1.1 38

Глубоким 1960 В2(10) 32 11 8 38 11 43 0.17 2.0 25

плантаж В2(30) 32 11 8 38 11 43 0.17 2.0 25

B1Í50) 33. ' 11 8 36 13 44 0.17 1.9 27

А2(70) 16 12 9 52 11 28 0.36 2.3 23

Ап(90) 9 12 -11 56 12 21 0.53 2.2 23

В2(110) 32 11 8 38 11 43 0.17 2.0 25

i В3(130) 24 7 7 57 6 31 0.15 2.9 22

1994 Ап(10) 31 4 9 36 20 35 0.08 1.7 30

В2(30) 30 10 8 37 15 41 0.18 1.9 28

131(50) 35 7 13 25 20 41 0.11 1.2 29

А2(70) 31 12 9 38 9 43 0.20 2.0 22

Ап(90) 30 6 4 34 25 37 0.12 1.9 40

В2(110) 26 9 11 30 25 35 0.19 1.3 35

В3(130) 21 14 11 29 25 35 0.32 1.3 35

Вспашка 1960 Ап(10) 9 12 11 56 12 21 0.53 2.2 23

по В1(30) 33 11 8 36 13 44 0.17 1.9 27

МОСОЛ ORV А2(50) 16 12 9 52 11 28 0.36 2.3 23

В2(70) 32 11 8 38 11 43 0.17 2.0 25

В2(90) 32 11 8 38 11 43 0.17 2.0 25

В2(110) 32 11 8 38 11 43 0.17 2.0 25

В3(130) 24 7 7 57 6 31 0.15 2.9 22

1994 Ап(10) 9 19 9 38 24 29 0.70 1.6 33

В1(30) 21 20 13 37 10 41 0.42 1.8 21

А2(50) 19 18 11 26 26 37 0.42 1.2 36

В2(70) 18 16 17 32 17 34 0.40 1.3 23

В2(90) 18 20 12 35 16 38 0.47 1.6 25

В2(110) 21 . 19 10 21 30 40 0.39 1.0 48

В3(130) 17'' 23 10 19 31 40 0.53 1.0 54

В варианте вспашки по Мосолову с изначально резко дифференцированным почвенным профилем по гранулометрическому составу к 1994 г. наблюдается уменьшение содержания илистой фракции по всему почвенному профилю, относительное обогащение песчаной фракцией, нивелируются существовавшие различия в горизонтах.

Количественно изменения в распределении гранулометрических частиц -можно выразить используя параметры вероятностных функций по Березину (1983): Ф5-содержанис глинистых компонентов (диаметром <5мкм), являющийся классификационным показателем для отнесения объекта к соответствующей категории по гранулометрическому составу; а - средний диаметр песчаных компонентов; п - отсортированное™ песчаных-компоЛентои и к -дисперсность глинных компонентов.

В контрольном варианте величина Ф5 заметно снижается во всех горизонтах, за исключением самого нижнего слоя. Почва облегчается, переходя по классификации П. Н. Березина из легкосуглинистой в супесчаную. Величина а в верхних слоях (до 50 см) снижается, а в более глубоких увеличивается; параметр п, напротив, возрастает в верхних слоях, снижаясь в нижних. По всей видимости, снижение а в верхних слоях указывает на увеличение процесса выветривания, разрушения крупных песчаных элементов. В то же время, увеличение к по всему профилю, особенно в нижней части, однозначно свидетельствует о том, что глинные компоненты становятся "грубее", вымывается илистая фракция. Вероятно, в почве, помещенной в новые условия с хорошим дренажем, происходят процессы разрушения крупных песчаных фракций и интенсивный вынос илистой фракции.

В почве, моделирующей дерново-подзолистую почву, обработанную по методу глубокого плантажа, в течение 34 лет также произошли заметные' изменения в распределении гранулометрических элементов: поверхностные слои до 50см облегчились, произошло оглинивание погребенных горизонтов А2 и Ап, в которых Ф5 увеличился в 1,54 и 1,76 раза. Заметно, с глубины 90 см возросла и а, что указывает на доминирование более крупных средне-зернистых песчаных компонентов. В то же время, величина к заметно снизилась в погребенных горизонтах и возросла в нижележащих. Произошло -это, по-видимому, за счет интенсивного вымывания илистой фракции в погребенные горизонты из вышележащих и, кроме того, за счет процесса разложения пылеватых компонентов. Увеличение к в нижних,_ глубже 100 см, как и в случае контроля, указывает на прямой вынос тонкой-фракции из этих горизонтов почвы.

Дерново-подзолистая почва в варианте, моделирующем вспашку по Мосолову, подверглась изменениям, которые к 1994 году привели к более равномерному распределению песчаной и глинистой фракций по профилю, лессивированшо илистой фракции практически из всего профиля. Здесь, в погребенном горизонте А2 увеличилось содержание ила и возросла зернистость. На процесс лсссивирования указывает и заметное увеличение неот-сортированности, неравномерности глинистого материала, прежде всего за счет выноса илистой фракции. О процессе переноса илистой фракции свидетельствует соотношение параметров функций распределения: увеличение а, снижение п и рост к при заметном снижении содержания ила.

Таким образом, для всех вариантов обработки характерно: 1) уменьшение содержания илистой фракции, увеличение грубых глинистых частиц,

6)

50 °/о

30 20 Ю 0

65

70

■ .35

' 80

0

30

■ го5й

Рис.1 Динамика агрегатного состава модельных почв в годы исследований, выраженного в виде: а) содержание агрономически ценных агрегатов (с) = 10 - 0,25 мм); б) средневзвешенный диаметр агрегатов ( X, мм); в) содержанке водоустойчивых агрегатов (с) > 0.25 мм). 1 - контроль, 2 - вариант глубокого плантажа, 3 - вариант обработки по Мосолову.

причем данный процесс наблюдается и и горизонтах В2-ВЗ (100-150 см), что свидетельствует о хорошем дренаже, ведущем к вымыванию илистой фрак-' ции и выносу ее за пределы почвенного профиля; 2) относительное возрастание доли песчаных фракций; 3) увеличение дифференциации горизонтов по содержанию песчаных фракций и различной степени нивелировка в значениях содержания ила и мелкого и среднего песка.

Во всех вариантах модельных почв после закладки лизиметров произошло уменьшение содержания агрономически ценных агрегатов к 1965 г. (рис. 1), а затем увеличение и некоторая стабилизация агрегатного состава, вплоть до 1977 г., когда содержание агрономически ценных агрегатов резко снизилось. Это также согласуется с данными по гранулометрическому анализу, т. к. слабое вымывание ила.и увеличение гумуса в пахотном горизонте несомненно должно было способствовать увеличению количества агрономически цепных агрегатов к 1974 г. Это годы, в которые помимо минеральных удобрении был внесен торф и компост.

Агрегатный состав, как в показателях содержания агрономически ценных агрегатов, так и средневзвешенного диаметра (рис. 1), имеет характерное улучшение от 1965 к 1977 г., а затем ухудшение и некоторую стабилизацию после 1980-83 гг. При этом, если для варианта глубокого плантажа содержание агрономически ценных агрегатов на протяжении всех лет опыта зависело от количества агрегатов >10 мм, то для контроля и варианта обработки по Мосолову с Апах на поверхности в первые годы,в основном, от содержания мелкой фракции <0,25 мм, а после 1977 г. от количества крупных агрегатов.

Количество водоустойчивых агрегатов также имело тенденцию к росту от 1965 к 1977 году, а затем снизилось к 1983 г. Связано ли некоторое "запаздывание" максимума содержания водоустойчивых агрегатов в сравнении с пиком содержания агрономически ценных агрегатов в 1969-1974 гг. с' определенными физическими процессами, сказать затруднительно. Вероятно, процесс агрегации в сухом состоянии более динамичен и быстрее реагирует на внешние воздействия, чем глубинное и сложное образование водоустойчивых связей. Можно заметить, что в целом водопрочность структуры не улучшилась, ни один из способов обработки не дал преимуществ в улучшении водопрочности структуры почв.

В течение 34 лет исследования произошли некоторые изменения плотности горизонтов почвенных профилей (табл.2). После внесения органических и минеральных удобрений, известкования, введения семипольного севооборота плотность верхних горизонтов почвы во всех вариантах-уменьши- ■ лась до 0,85-1,03 г/см3. Затем наблюдается неизменное „повышение, плотности до величин, близких плотности естественных.'горизонтов (табл.3). Это особенно заметно для варианта глубокого плантажа, поверхностный горизонт которого уплотнился до 1,4 г/см3. Кроме того, в этом варианте к 1994 г. отмечаются достаточно равномерные значения объемного веса по всему профилю, нивелируется минимум на глубине 70-100 см, существовавший в 1965 г., где располагаются погребенные А2 и Ап с изначально низкими значениями плотности сложения. И визуально отмечено наиболее заметное "проседание" почвы в этом варианте лизиметров.

Вариант вспашки по Мосолову характеризуется последовательным увеличением плотности по всем горизонтам на 0, 2 - 0, 8 г/см3.

Таблица 2.

Плотность и порозность модельных дерново-подзолистых почв и лизиметрах в годы исследований

Год 1965 1975 1983 1995 I

Горизонт Плотность Порозность Плотность Порозность Плотность Порозность Плотность Порозность

(глубина) общая,% контроль общая, % общая, % общая,%

Апах(Ю) 0.89 66 0.89 64 1.01 62 1,00 60

А2(30) 1.18 56 1.25 52 1.28 52 1,30 49

В1(50) 1.23 55 1.3 52 1.30 52 1,45 43

В2(70) 1.34 50 1.46 46 1.42 47 1,51 43

В2(90) 1.45 51 1.47 46 1.43 47 1,60 40

В2(110) 1.46 47 1.49 45 1.43 45 и.о. и.о.

В3(130) 1.48 46 1.54 43 1.60 41 И.о. и.о.

глубокий плантаж

Апах(Ю) 1.03 62 1.03 60 1.20 56 1,43 49

В2(30) 1.37 50" 1.28 53 1.40 49 1,49 45

В1(50) 1.4 49 1.45 47 . . 1.43 47 1,60 44

■А2(70) 1.36 49 , 1.36 ' 50 ' 1.46 46 1,57 42

Апах(90) 1.14 56 1.24 53 1.40 46 1,59 41

В2(110) 1.45 47 1.47 46 1.58 42 и.о. 11.0.

В3(130) 1.48 46 1.48 46 1.67 39 и.о. И.О.

испашка по Мосолову

Апах(Ю) 0.85 67 0.85 65 1.06 60 1.13 57

В1(30) 1.02 61 1.3 52 1.39 56 1.48 45

А2(50) 1.24 54 1.51 44 1.51 52 1,52 41

В2(70) 1.24 54 1.44 47 1.55 43 1,56 41

В2(90) 1.36 49 1.50 1.50 45 1,57 42

В2(110) 1.48 47 1.48 1.55 43 и.о. И.О.

В3(130) 1.48 46 1.54 1.59 41 И.О. И.О.

Таблица 3

Плотность и порозность исходной дерново-подзолистой почвы

Горизонт Плотность Порозность

(глубина) г/см общая,%

Апах(Ю) 1.33 49

А2(30) 1.61 40

В1(50) 1.59 42

В2(70) 1.65 39

В2(90) 1.67 39

В2(110) 1.69 38

В3(130) 1.69 38

'Заметно п характерно ддЯ'Всех вариантов уплотнение нижних горизонтов в связи с процессами общей усадки почвы в лизиметрах под воздействием веса вышележащих слоев, процессы возвращения к естественному сложению.

ФОРМИРОВАНИЕ И ДИНАМИКА ЛИЗИМЕТРИЧЕСКОГО СТОКА

Оценку климатических условий проводили с помощью расчета 'суммы осадков по гидрологическим годам, а не по календарным;1 т. к. На весенний сток оказывают влияние осенние запасы влаги в 'Почве. Кроме того, динамики лизиметрического стока и осадков представлены в виде скользящих пятилетий (Роде, 1963) (рис. 2а). В первые 8-10 лет лизиметрический сток постепенно возрастал, в контроле увеличение лизиметрического стока проходило близко по значениям к варианту вспашки по Мосолову. Равновесный с метеорологическими условиями сток сложился к 1971-1973 гг.,когда почвенные горизонты, по-видимому, приобрели основные черты сложения, свойственные новым условиям. Важно отметить тот факт, что лизиметрический сток в варианте глубокого плантажа постоянно имел более высокие значения, весенний сток начинался раньше, чем в контроле и варианте обработки по Мосолову. Это подчеркивает наиважнейшее значение верхнего слоя почвы, его сложения и физических особенностей на процесс фильтрации. Даже длительное нахождение горизонта В2 на поверхности не привело к существенному изменению процессов передвижения влаги в этом горизонте, которому более свойственны явления инфлюкционного переноса по макропорам.

Более детальная характеристика лизиметрического стока возможна при анализе осадков и стока за период октябрь-апрель при отсутствии растительности и формировании стока под влиянием осенне-зимних осадков и особенностей строения почвы (рис. 26). Причем преимущественно от осенних осадков, т. к. определение запасов влаги в снеге зимой 1992-1993 и . 1993-1994 гг., а также в 70-е и 80-е годы показали, что лишь 22-37% от суммы осадков остается ко времени снеготаяния, остальное расходуется на испарение снежного покрова. Закономерности, отмеченные для годовых периодов в целом,свойственны и периоду основного формирования~стабили-зированного стока к 1972-1973 гг. Это еще раз подчеркивает важную роль верхнего слоя почвы в режиме формирования стока.

Для выяснения роли других факторов можно' рассмотреть соотношение осадков и лизиметрического стока в виде, например, аналогичному "коэффициенту стока" ( Кс) (Зайдельман, 1987), как соотношение разницы осадков и внутрипочвенного (лизиметрического) стока к осадкам, рассчитанного также для периода октябрь-апрель.

На динамике Кс (рис. 3) отмечаются характерные периоды снижения к 1972-73гг.,стабилизации в 1974-1988 гг. и некоторого повышения после 1983 I'. Первый из них связан, как указывалось выше, с общей укладкой почвы, второй - ее стационарным состоянием, а третий с отмеченным выше изменением агрегатного состава и водоустойчивости в 80-е годы, повышением плотности почвы от 1983 к 1994 году, а также со значительным увеличением плотности погребенных горизонтов.

Следует отметить и положение экстремумов на этих кривых. Прежде всего увеличение Кс в 1970, 1974, 1978, 1984, 1987 годах и минимумы в 1972- и 1979 годах. Положение этих экстремумов, как правило, не связано с суммой осадков за период, а определяется погодными условиями в осенний период. Если осень была экстремально сухой (а это 1975, 1978, 1984 и 1987 гг.) наблюдается увеличение Кс, экстремально влажной - минимумы на

осадки, ■ о

лизйметрическии сток, шп, г

шоо

500 600 '700, ' 600 500 400 300 гоо т

п.

"й-

1970-И

- 5г

• осадки, • .„ „ лизйме1рйческни сток,

500 мм

«О

да

350

197596

-да н

1985- 1С

1990-

'ГОЙЫ

300 250 200 150 100 50

гг-

- -р-,

I I г] 1

г /1-

, осадки

_П

л

г~ к

, ГЬ'чЧМ-

/

ги! /1

3~К

и

Я

19£5-66

1ЭТО-

1975 Ч

1930- 1935 -81 86

199031

'гоЗь

Рис.2 Динамика осадков и лизиметрического стока в гидрологические годы (а) и в периоды с ноября по март (б) в годы исследований.

1 - вариант глубокого плантажа, 2 - вариант обработки по Мосолову.

кривой динамики Кс. Наиболее же глубокими экстремумы будут в том случае, если предыдущий процесс: "тренд" Кс совпадает с экстремальным осенним периодом (1973 г.). Подобным образом возможно формирование экстраординарных, "катастрофических" почвенно-гндрологических условий.

Рис. 3 Динамика коэффициента стока (Кс) для периода с ноября по март в годы исследования. I - вариант глубокого плантажа, 2 - вариант обработки по Мосолову.

Различия в величинах Кс для исследованных вариантов связаны со спецификой фильтрации почв (фильтрационный тип для варианта Мосолова и инфлюкционный - для глубокого плантажа).

Таким образом, формирование лизиметрического стока обусловлено прежде всего тремя условиями: (1) условиями строения почвенной толщи, (2) способностью верхнего почвенного слоя формировать инфлюкционный поток влаги, (3) начальными условиями, а именно, осенними осадками для весеннего стока и характерными особенностями осадков - интенсивностью.

Изменение физических свойств верхнего горизонта приводит к изменению лизиметрического стока, что подчеркивает важность всякого рода поверхностных агротехнических мероприятий для формирования гидрологии почвы и ландшафта в целом. I

Следует отметить некоторые характерные особенности эволюции физических свойств: с одной стороны их консерватизм, с другой - динамичность и взаимосвязанность. Консерватизм проявляется в слабом изменении гранулометрического состава, однако заметном в течение 30-летнего существования почв в новых условиях. Динамичность и взаимосвязанность проявляется в достаточно быстром реагировании агрегатного состава, порового пространства на внешние агротехнические воздействия. Последнее значительно влияет на формирование гидрологии почв, т. к. лизиметрический сток во многом определяется свойствами (трещпноватостыо, макропорнстостыо) ; поверхностного горизонта.

I Эги 2 аспекта физических свойств, с одной стороны, их глубинный консерватизм, с другой - кратковременность и быстрота изменений порово-го пространства поверхностных горизонтов, обуславливающие динамику впугрипочвенного стока, по-видимому, и лежат в основе формирования гидрологии почв.

ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА МОДЕЛЬНЫХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ

Различия в водном режиме исследуемых вариантов почв обусловили и различный вынос химических элементов, состав просачивающихся вод, характеризующиеся следующими особенностями: (1) вариант глубокого плантажа имеет более низкие концентрации ионов Са, Мб, Ыа, К в лизиметрической воде, хотя вынос элементов за год иногда выше за счет большей ин- 1 тенсивности стока; (2) вынос элементов в парующих почвах выше, но не за счет более высоких концентраций, а за счет большего стока; (3) во влажные годы наблюдается более интенсивный вынос и высокие концентрации элементов в поровых растворах и лизиметрических водах. рН лизиметрических вод нейтральный, иногда слабощелочной, поровых растворов - кислый, осадки - от слабощелочной до кислой.

Таблица 4

Изменение содержания гумуса в модельных дерново-подзолистых почв в годы исследований

Вариант Горизонт Содержание гумуса, %.

(глубина) 1961 1967 1974 1977 1983 1994

Контроль Ап(10) 2.46 2.96 2.63 2.61 2.35 2.27

А2(30) 0.45 0.65 1.57 1.77 2.27 '2.25

В1(50) 0.33 0.40 0.4? 0.96 0.31 0.40

В2(70) 0.31 0.33 0.27 0.40 0.25 0.23

В2(90) 0.31 н.о. н.о. н.о. 11.0. 0.20

В2(Ш) 0.31 и.о. н.о. н.о. н.о. 0.18

В3(130) 0.18 н.о. н.о. н.о. н.о. 0.14

Глубокий В2(10) 0.31 1.95 1.77 2.05 1.82 1.58

плантаж В2(30) 0.31 0.59 0.24 0.24 0.90 0.68

В1(50) 0.33 0.31 0.23 0.25 0.26 0.34

А2(70) 0.45 0.45 0.98 0.94 н.о. 0.21

Ап(90) 2.46 2.56 н.о. 2.18 н.о. 0.62

В2(110) 0.33 0.29 н.о. н.о. и.о. 0.34

ВЗС130) 0.18 0.26 0.18 0.19 и.о. 0.19

Вспашка Ап(10) 2.45 3.05 2.67 2.66 2.46 2.60

по В1(30) 0.33 0.49 0.98 0.99 0.75 0.51

Мосолову А2(50) 0.45 0.43 0.63 0.69 н.о. 0.32

В2(70) 0.31 н.о. 0.61 0.62 н.о. 0.22

В2(90) 0.31 н.о. н.о. н.о. н.о. 0.21

В2(110) 0.31 н.о. н.о. н.о. н.о. 0.23

В3(130) 0.18 н.о. н.о. н.о. н.о. 0.16

Изучение рН водном вытяжки показало, что происходит уменьшение кислотности верхних горизонтов в контроле от 7,1 в 1961, 7,9 в 1974 до (>,7 в 1994 году, а вариантах глубокого плантажа и вспашки по Мосолову соответственно от 4,79, 5,72 до 5,3 и от 7,1, 7,18 до 5,90. Это, несомненно, связано с проведенными агротехническими мероприятиями, отразившимися и на значениях содержания гумуса (табл. 4). Данная величина имеет свои особенности в вариантах опыта. Во всех вариантах наблюдается увеличение гумуса к 1967 г. в поверхностных горизонтах, особенно значительно в горизонте В2 глубокого плантажа - в б раз. Нужно отмстить еще одну особенность данного варианта исследований: даже через 15 лет после заполнения лизиметров погребенный горизонт Апах сохраняет высокое содержание гумуса - более 2%, что также указывает на незначительность процессов выноса в первые годы опыта.

Результаты профильного распределения элементов свидетельствуют об изменениях почвенной матрицы, произошедших во всех вариантах (рис. 4). Наблюдается вынос кремнезема в верхней и нижней части профиля контрольного варианта и некоторое накопление в средней части. В варианте глубокого плантажа кремнезем уменьшается по всему профилю, хотя в целом форма профильного распределения сохраняется. В варианте обработки по Мосолову картина распределения кремнезема меняется - он накапливается в гор. В1 (20 - 45 см) и интенсивно выносится из гор. А2 (45 - 60 см).

Вынос кремнезема из нижних горизонтов наблюдается во всех вариантах, что свидетельствует о хорошей дренированности лизиметрических почв. Наиболее интенсивен процесс выноса и перераспределения кремнезема ятя почв варианта обработки по Мосолову, в котором вследствие слоистого строения почвенного профиля наблюдаются более длительные периоды временного переувлажнения, что способствует растворению кремниевой кислоты с последующим ее выносом с равномерно движущимися фильтрационными водами. В варианте глубокого плантажа вынос меньше вследствие преимущественно инфлюкционного характера движения растворов в почве.

Изменения в профильном распределении железа и алюминия имеют явное сходство:(1) наблюдается относительное накопление в верхних и нижних горизонтах и уменьшение в средней части профиля в контрольном варианте, (2) относительное накопление по всему профилю в варианте глубокого плантажа, (3) и перераспределение по профилю почв варианта вспашки по Мосолову.

Отметим сходство, которое появилось к 1993 г. в профильном распределении данных элементов в контроле и обработке по Мосолову, характерном для дерново-подзолистой суглинистой почвы.

В целом вынос за пределы почвенного профиля ионов А1 и Ре незначителен. Исследование твердых выпадений в зимний период показали, что только с ноября по март на м2 площади лизиметра поступает 1,33-1,34 и 1,9-2,2 окислов алюминия и железа, значительное количество БЮг (6,2-6,7 г), углерода (2,06-4,08 г) и других элементов в суммарном количестве 12,815,6 г.

Такий макроэлементы как Са, К, выносятся за пределы почвенного профиля в обоих вариантах, формируя более равномерный профиль распределения содержания этих элементов по глубине. Характерное накопление

1'пс. -1 Распределение содержания $¡02 (а), Л12О3 (б), ЯезОэ (в), СаО (г) но профилю модельных дерново-подзолистых почв в 1961, 1983 и 1993 гг. в вариантах исследовании. 1 - контроль, 2 - глубокий плантаж, 3 - обработка по Мосолову.

Са н верхних горизонтах к 1983 г. (рис. 4г) связано с проведенным в 70-е годы известкованием и внесением удобрении.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСК.ОГО МОНИТОРИНГА НА ПОЧВЕННОМ СТАЦИОНАРЕ МГУ

Расположение станции изолированных лизиметров в г. Москве позволяет изучить интенсивность процессов накопления тяжелых металлов в данных почвах.

Наиболее значительное накопление характерно для Хп (рис. 5). Содержание цинка в 1983 г. составило 150-190 мг/кг почвы, затем оставалось на прежнем уровне или несколько снижалось. Изучение содержания микроэлементов в фоновой почве, а также в почве лизиметров, защищенной от атмосферных осадков, дало возможность объяснить подобную динамику вымыванием цинка с лизиметрическими водами, т. к. в минеральных удобрениях не отмечалось. Так, в почве, не подвергающейся влиянию атмосферных осадков и в которую продолжают вносить удобрения, содержание цинка достигло 461 г/кг. Фоновые содержания тяжелых металлов близки по значениям в изучаемых почвах. Вероятно, увеличение кислотности и лрени-русмости почв привело к увеличению выноса тяжелых металлов : значения концентрации в лизиметрических водах в исключительно влажный 1993 год достигали 1 мг/л.

О 1(0 ГО 40 1Г0 шв о

содержа»«,м^ пс^вы (,о ю по ю'о то о но и и ко год

г

10 20 30 НО 50 о Ю Ш 30 НО ¡0 0 - Ю М 30 "3 50

3

А-

г.

Рис.5 Распределение содержания некоторых микроэлементов: Тп (а), РЬ (о) по профилю модельных дерново-подзолистых почв в вариантах исследования.

К 1993 г. наблюдается некоторое сглаживание кривой распределения по профилю и, некоторое накопление Хп в подпахотных горизонтах. При этом вариант глубокого плантажа имеет более высокие значения содержания цинка, вынос с лизиметрической водой ниже вследствие преимущественно инфлюкциониого переноса влаги. Цинк поступает на поверхность почвы в данном районе в значительных количествах и достаточно неравномерно по годам: только в виде твердых выпадений за период с ноября по март в 1993 г. эта величина составила 69 мг/м2, а в 1994 - в 2 раза больше. По содержанию 7л\ в пахотном горизонте почвы относятся к слабозагрязненным.

Для всех вариантов характерна и аккумуляция свинца в верхних горизонтах, особенно в вариантах с Апах на поверхности, связанное с более высокой степенью гумусированности. К 1993 г. увеличивается дифференциро-наниость профиля по содержанию этого элемента. В лизиметрических водах он наблюдается в незначительных количествах в дождливый период, в осадках в растворенном виде - ниже порога обнаружения. Поступление, на поверхность почвы осуществляется по нашим наблюдениям преимущественно в виде твердых выпадений. В целом содержание свинца в почвах низкое, несмотря на близость автострады, что связано со слабой миграционной способностью с воздушными потоками. (Кабато-Пендиас, Пендиас, 1989).

Снижение дифференцироваиности профиля и некоторое накопление в верхних слоях характерно для меди и никеля.

Таким образом, регулярные исследования почв, осадков и лизиметрических вод на почвенном стационаре МГУ позволили оценить особенности почвообразовательного процесса при различных системах обработки почв, а также динамику загрязнения почв тяжелыми металлами. Так как в лизиметрах почва приобрела новые условия дренирования,то для возможности миграции веществ по почвенному профиля важное значение приобретают как явления временного переувлажнения, так и возможность инфлюкциониого переноса вещества.

Несмотря на значительные изменения в строении почвенного профиля при закладке опыта, наблюдается элювиально-иллювиальное распределение элементов, характерное для дерново-подзолистых среднесуглипистых почв. Поступление тяжелых металлов, особенно цинка происходит как в растворенном виде с осадками, так и в виде твердых выпадений. И это характерно не только для тяжелых металлов. Положительный баланс наблюдается и для железа, алюминия, калия.

Следует отметить, что несмотря на высокую сорбционную способность, тяжелые металлы наблюдаются и в лизиметрических водах в концентрациях, близких к концентрациям в атмосферных осадках (характерно в особенности для варианта глубокого плантажа), что влияет на оценку очищающей роли почвы в ландшафте, которая может быть снижена вследствие переноса элементов с инфлюкционными потоками.

ВЫВОДЫ

1. Регулярные исследования физических свойств модельных дерново-подзолистых почв на станции изолированных лизиметров МГУ в 30-летнсм лизиметрическом опыте показали, что в условиях эксперимента произошло облегчение гранулометрического состава поверхностных горизонтов, обези-ливание и увеличение грубоилистых и пылеватых компонентов глинистой фракции прежде всего вследствие увеличения дренируемости почв.

Плотность верхних горизонтов почвы после укладки в первые 5-7 лет снижается, затем стабилизируется и в случае отсутствия активных агротехнических мероприятий возрастает, приближаясь к плотности исходной почвы..

Агрегатный состав является с одной стороны достаточно динамичным свойством, чутко реагирующим на проведение агротехнических мероприятий, внесение удобрений, с другой консервативным, напрямую зависящим от фундаментальных свойств твердой фазы. Отмечено "отставание" изменений в динамике содержания водоустойчивых агрегатов в сравнении с динамикой агрономически ценных.

2. Формирование лизиметрического стока определяется (1) внешними условиями (осадки, испарение), (2) условиями, предшествующими формированию основного весеннего стока,а именно, осенними осадками и их интенсивностью и (3) физическими свойствами поверхностных горизонтов, прежде всего их трещиноватостью и макропористостыо, обусловливающими инфлюкционный характер движения влаги в почве.

3. Несмотря на изменения в строении почвенного профиля при закладке опыта, наблюдается элювиально-иллювиальный процесс,интенсивность которого во многом определяется формой передвижения растворов в почвенном профиле (фильтрационная или инфлкжционная). В условиях опрта происходит преимущественный вынос кремния, особенно из нижних слоев почвы, относительное накопление и перераспределение алюминия и железа в горизонтах почвенного профиля, за счет снижения их подвижности в хорошо дренируемых условиях при нейтральном-слабощелочном рН лизиметрических вод. Наблюдается значительное поступление элементов из атмосферы в растворенном виде и особенно с твердыми выпадениями.

4. Тяжелые металлы (ТМ) в почве накапливались от 1961 к 1983 г., особенно интенсивно цинк. Впоследствии содержание большинства элементов в верхних горизонтах несколько снизилось. Динамика ТМ прослежипается по всему профилю почв, они присутствуют в лизиметрических водах, что указывает на возможности их заметной миграции. Их содержания в поверхностных слоях почвы далеки от предельных, лишь концентрация Тп приближается к предельно допустимой.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Исследование изменений твердой фазы почвы в долговременных лизиметрических экспериментах. // Тезисы докладов к межвузовской научной конференции "Физика твердого тела", Барнаул, 1984, с. 38 (в соавт.)

2. Исследование водного режима модельной дерново-подзолистой почвы с помощью закрытых лизиметров. // Тезисы докладов конференции молодых ученых МГУ "Современные проблемы почвоведения и экологии", Красновидово, 1994, с. 63.

3. Изменение физических свойств, водного режима, плодородия и эволюции дерново-подзолистых почв при различных видах мелиоративной обработки в условиях многолетнего лизиметрического опыта. // Тезисы докладов к Всероссийской конференции "Вопросы агрофизики при воспроизводстве плодородия почв", Санкт-Петербург, 1994, с. 31 (в соавт.)

4. Почвенно-экологические исследования на станции изолированных лизиметров Московского университета. // Почвоведение, 1994, № 11, с. 112117 (в соавт.)

5. Основные закономерности в эволюции физических свойств дерново-подзолистых почв при различных системах мелиоративной вспашки. // Тези доповщей м1жнародно1 науково-практично! конференци молодих вчених 1 спсцкшстш "Шляхи рацюнального використання земельних ресурав Украши", Чабани, 1995, с. 71.

6. Изменение физических свойств дерново-подзолистых почв в условиях многолетнего лизиметрического опыта. // Вестник МГУ, сер. 17, Почвоведение (в соавт.), в печати.

7. Зависимость лизиметрического стока от метеорологических условий и вида мелиоративной обработки дерново-подзолистой почвы. //Тезисы доклада Всероссийской конференции "Микроклимат ландшафтов", Санкт-Петербург, 1995 (в соавт.)

8. Закономерности формирования лизиметрического стока и баланса некоторых элементов в модельной дерново-подзолистой почве. // Тез. докладов 2 съезда всероссийского общества почвоведов, Санкт-Петербург, в печали.