Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Поведение марганца в осушаемых и целинных дерново-подзолистых глеевых почвах на карбонатной морене

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Поведение марганца в осушаемых и целинных дерново-подзолистых глеевых почвах на карбонатной морене"

~ ..г

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

На правах рукописи ГАЛУШКО Владимир Александрович

УДК 631.811.9 : 631.445.25.

ПОВЕДЕНИЕ МАРГАНЦА В ОСУШАЕМЫХ И ЦЕЛИННЫХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ГЛЕЕВЫХ ПОЧВАХ НА КАРБОНАТНОЙ МОРЕНЕ

Специальность 03.00.27— почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена на кафедре почвоведения Московско ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сель скохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — профессор, доктор биологиче ских наук А. И. Карпухин.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, прс фессор Карпачевский Лев Оскарович, кандидат химически наук, доцент Кузнецов Анатолий Васильевич.

Ведущее предприятие — Почвенный институт имен] В. В. Докучаева (г. Москва).

Защита состоится « 7 » . . . . . в « часо)

на заседании специализированного совета К 120.35.01 в Мо сковской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тими рязева.

Адрес: 127550, г. Москва И-550, ул. Тимирязевская, 49, сек тор защиты диссертаций.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан «/А> . . . 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета —

М. В. Вильяме

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Объем дренажного стока Нечерноземной зо-ш РСФСР составляет 5-7 км3 в* год. При широких масштабах осушительных мелиораций обостряется проблема неизбежного выноса эле-гентов из почвы и взаимодействия дренажных вод с другими компонентами биоценоза (Зайдельман Ф.Р., 1981). В частности, сведения ю вопросам растворимости, природы и состава марганецорганических юединений, определяющих подвижность металла и других элементов ) трофических цепочках биогеоценоза, отрывочны и неоднозначны."

Как необходимый микроэлемент марганец активно влияет на бионические процессы в системе почва-растение, во многом опреде-[яет питательный режим почв. "Концентрационный коридор существо-¡ания" растений определяется фракционным составом соединений мар-■анид в почве. В связи с этим вопросы регулирования питания рас-■ений за счет коррекции соотношения групп соединений биофильньк-шементов представляют значительный интерес.

см

Кроме того, как продукт нейтронной активации Мп в больших соличествах образуется при испытании ядерного оружия. Так ивдкек-уш радионуклида-в конце 1961 года составила 5,2 ЭБк (Шилов В.А., :990).

Таким образом, актуальность исследования определяется, во-•первых, слабой изученностью вопросов миграции и трансформации юединений марганца в осушаемых и целинных ландшафтах, во-вторых, [ерспективой долгосрочного прогноза ^поведения и поиска путей кон-■роля подвижности и выноса тяжелых металлов из биогеоценоза.

Цель и задачи исследований. Целью работы являлось комплексов изучение процессов трансформации в почве соединений марган-внесенного в составе растительных остатков и в ионной форме. >олее общая перспективная цель заключалась в разработке на прге«-

ре этого металла программного комплекса на машинном носителе', для организации фонового геохимического мониторинга. Поэтому в работе основное внимание Оделено триаде: миграция марганца в почве -его трансформация - доступность для растений, .

• Конкретными задачами являлись следующие:

1. Оценка вертикальной миграции в . почве и поступления в ■растения марганца-54 из состава растительных остатков и минеральных форм этого элемента в условиях полевого опыта

2. Фракционирование соединении марганца-54 в почве по модифицированной нами 'методике.

3. На осгове данных о влагоперенисе и миграции элемента в почве выполнение расчета многолетней транслокации марганца.

Описание массо- и зкергопереноса математическими моделями требует выделения в почве ряда эффективных фаз и условий, влияющих на подвижность мигранта. Имеющуюся информацию дополняли:

4. Изучением процессов растворения - осаждения, соединений марганца в зависимости от рН, концентрации и соотношения С: Мп, температуры системы осадок-раствор в лабораторном эксперименте.

5. Оценкой влияния водорастворимых органических веществ (ВОВ) на молекудярно-массовое распределение-, и миграционную способность марганца в .почвенных колонках.

G. Определением концентрации марганца, оптимизирующей' поступление фосфора в растения ячменя ,в условиях радиовегетациг онного опыта.

Научная новизна работы. Впервые в едином эксперименте синхронно исследованы трансформация и миграция марганца-54 из состава растительных остатков и минеральных форм элемента в осушаемых почвах. Одновременное наблюдение за поведением марганца в arpo-

и целинных ландшафтах позволяет сравнивать естественные и антропогенные Факторы воздействия на биогеоценоз. По полученным данным впервые рассчитано многолетнее перераспределение этого эле • мента в системе -почва- рас1 енпл для ооут?мщ ландшафтов.

С использованием современных физико-химических методов проведено изучение влияния рН, концентрации металла, соотношения С: Мп, вида ВОВ, температуры системы'осадок-раствор на растворимость и молекулярно-массовое распределение марганца, его миграционную способность и доступность растениям в лабораторных и на--турных условиях.

Практическая ценность. Предложен системный подход и напор методик для изучения поведения марганца в системе почва- растение, ■ намечены возможные пути изучения процессов транслокнции марганца в почве. Результаты могут Сыть иеполь.'-ованы в решении задач фонового мониторинга. Способ расчета перемещения мгрганиа в -системе почва-растение и программный комплекс, решающий эту задачу, рекомендуются к применению в научных учреждениях в- области экологии почв. С использованием метода меченных атомов уточнен Характер ВОЗДеЙСТВИЯ КО:Ш*ЬГГМЯ1й v»pr »wv в кор»?обит& емом субстрате ' на поступление' ijoeiropa б j>нчтения в условиях песчаной, водной и почвенной кулзтур.

-Апробация работы. Мэтлриэлы диссертации доклацывапись на научно-технической конференции МШ1 в 1084г. на н«./чт.:х конференциях молодых ученых ТСХЛ Факультета агрохимии и почвоведения в 1935-1Р86гг,. на заседании Ученого совета ВИУА ь 109? г.

Публикации.- По материалам дтиге^^.'-одии онуе}лм»глкиго 5 научных работ.

Ст|>укту£& и объем рке^гощк!. ЛкссецТ'Г'пя излна н i

298 страниц-эх,' включая 41 таблицу, 37 рисунков и состоит-и: введения, обзора литературы, раздела "Объекты и методы исследований". 5 глаг. экспериментальной части и приложения. Описок цитируемой литературы содержит "50 источников, в том числе 98 н; иностранных 'ярыкнх.

ОСЛЕПШИЕ РАБОТЫ

Введение. Кратко обоснованы актуальность темы исследований научная новизна и практическая ценность полученных "результатов.

. ГЛАВА1. Ос:&ор литературы. Рол)- марганца в эволюции педосфр-ры. Проаяаяиаироглн литературный материал, касающийся содержали! марганца и его форм в почвах и почьообрздуящих породах, влиянге ■ марганца на педогенез, плодородие и сорбпионнне свойства почв, его участия в процессах фивиологичсских и »пгряоиения биосферы, а такче вопросов летательного режиме: и экологии осушаемых почв.

Приведены литературные сведения но проблемам абиогенной I биотической миграции марганиа, трансформации его соединений, долгосрочного прогноза транслокации металла в биогеоценозе,■влиянии факторов внешней среды и концентрации марганца на растворимость и доступность растениям его соединений .

Обзор пока: .'.л, что несмотря на значите,г'.ькое количество материалов по даринм ¡.опросам до шпеидеге вр-мени мало изучекО:

1. Микро- и мерораслределение отдельных, Цорм соединен»! мартща в процесс- миграции при поверхностном' внесении маргаиц? в почеу.

2. Трансаор.'.рционы'е камененк^ и подвижность соевинеш ме.рганна.

3. Транслокация марганца в почве в условиях долгосрочного натурного эксперимента.

4. Влияние факторов внешней среды на молекулярно-массовый состав и растворимость соединений марганца, их подвижность, доступность растениям.' •

Большинство исследований по вопросу о динамике марганца- в почве оперирует данными о содержании прочносвя?аднюс форм его соединений (растворим! ix в 0,1н Н^ЗО^и валовых).- С пашей точки зрения изучение генезиса и плодородия почв невозможно без анализа фракционного состава соединений элемента. Однако, в расчетах перемещения мигранта в многолетнем миграционном цикле допустима минимальная детализация. Исследованиями ГэсаноЕа А. М. (.1990) установлены закономерности морфологических,- химических, водно-физических и урожайных характеристик изучаемых нами почв. Указания автора на формирование приданного иллювиального горизонта оппонируют исследованиям Пестрчкова В. К.. (197?) и Шми-гельской И. Л- (1990), которые не отмечали цодпбного явления. Характер изменения урожайности трав, полученный Гасановым A.M. на вариантах удобренных осушаемых почв не согласуется с нашими данными для неудобренных участков.

При разрешения перечисленных вопросов возможно:

1. С новой точки зрения оценить нокоторн? вопроси раавятчя э.гювиально-глеезого и подзолл'того прогуссор.

?.. Охарактеризовать некоторые иа, питонов миграции марганца в почвах. _ ..

3. Уточнить роль соединений марганца г. формировании питательного режима почв.

*"

6. " ■ ' — ГЛАВА 2, Объекты и методы исследований.

В качестве объектов исследований миграции и трансформации марганца были выбраны катены осушаемых и целинных (под луговой растительностью и в лесу) дерново-подзолистых, глеевых почв, сформированных на карбонатной морене. Содержание органического углерода - 0,9-7,99 %, рН (КС1) 5,02-5,65, степень насыщенности основаниями - 62,9-89,9

Также были исследованы природные воды водо токов, сопрягающих мелиоративную систему участка "Пенье-2" с базисом эрозии (р.Сабля).' ' -

В полевых и лабораторных экспериментах использовались методы радиоиэотопных индикаторов. Распределение °%п и в почве изучалось координатным способом (по 3-8 румбам). В натурных исследованиях применялся радиометр М-30, а в лабораторных условиях - приборы " модель 1219 фирмы

Отбор природных вод и препаративное вцделение из.них ВОВ проводили в соответствии с рекомендациями К.В.Дьяконовой (1977).

В лабораторных исследованиях для выделения форм соединений марганца использовали селективные экстрагенты (Зырин Н.Г., 1974; Ринькис Г.Я., 1937; Савич В.И., 1987). '

Дня определения молекулярно-массового распределения марган--

/ ■ ■

ца в вытяжках и доказательства комплексной природы его соединений использовали метод ионообменной хроматографии в тонком сло'е и . систематизированную радио-гельхроматографию (Карпухин А.И., 1984) Агрохимические свойства почв и их валовый состав определяли классическими и новыми аппаратурными методами (анализаторы углерода и азота, атомно-абсорбционная спектроскопия, рентгено-флу-оресцентный анализ).

Влияние некоторых факторов на фотосинтетическую активность

■ 7

хлоропластов (ЗДХ) оценивали по методике, разработанной А.С.Плеш-.новым и.Б.А.Ягодиным (1982). . . !

Математическую' обработку полученных данных проводили на ПЭВМ. • •

■ ГЛАВА 3. Исследование растворимости и м'олекулярно-массово'го .состава соединений марганца в.натурных и лабораторных условиях. '

Молекулярные массы неорганических форм.марганца, найденные -по данным системгшзированной гелевой фильтрации, удовлетворительно совпадают с табличными значениши, причем при увеличении рН с 6 до' 9 они. соответственно возрастают с 240 до 385 (рис.1). • 'С помощью гель-фильтрации установлено прочное связывание ионов марганца органичеокимилигавдами (ПС, <Ж, фенол, лимонная кислота). Молекулярные массы соединений'марганца с органическим веществом дренажных, вод (ДВ) свидетельствуют о полидисперсности и, очевидно, полифункцион&яьности комплекса компонентов дренажного стока. Обнаружены соединения марганца с ММ > 700, 495, 370, 275 и 230, при этом низкомолекулярные .фракции (ММ 700) составляют 84 % от исходной смеси.

С помощью систематизированной радио-гельхроматографии выявлен сложный молекулярно-массовкй состав Мп-органическкх соединений в почве. Выделены фракции с молекулярными массами от > 10000 до ~ 600, которые зависят от норм осушения и хозяйственного использования почв. '

В лабораторных условиях установили, что растворимость Мп-гу-мусовнх соединений возрастает при увеличении температуры системы от 20 до 40°С. Металло-гумусовые комплексные сслн по степени уменьшения растворимости можно расположить в ряд: фульватн марганца > гуматы марганца. Соотношения мезду углеродом гумусов'.-х кислот и металлом - С-:Мп в растворе, сложивтиесл после обреаопа-

-■V ния осадка при температуре 20-40°, меньше, а в осадке- - больше _ заданных. Замечено, что при повышении температуры системы соотношение между углеродом гумусовых кислот и металлом в растворе уменьшается, а в осадке - увеличивается.

ГЛАВА 4. Миграция комплексных маргапецорганических соединений в почве.

в лабораторных условиях в колонках, заполненных почвой из •■<'*юриэонтов Ар А^, А23^-'целинных и окультуренных дерново-подзо-яистых глеевых почв, оценили влияние ВОВ, в т.ч. дренажных и поверхностных вод (ДВ и ПВ) на подвижность ^Мп при поверхностном

внесении его ионных-форм. .-■ ' :

• 54

т- ; Достоверных различий в параметрах распределения Мп в идеь " -тичных горизонтах почв различного- сельскохозяйственного использс "вания не обнаружено. Причем,послойное распределение 54Мп в данга "условиях определяется практически только величиной среднего пе-' ремещания ^Мп, которое" во всех, вариантах убывает в ряда: А^ '- 'ч > А2В. Среднестатистические значения вертикального перемещения Мп для горизонтов А^ .-и АрВ уменьшаются в последовательное-1 ти вариантов: ЭДГА >' ® > ПВ (лес).? ПВ (луг) > ПВ .(пашня) > ДВ> воды НШ > ГК > Н^Од. Однако,, в колонках с почвой из горизонтов А^ ПВ (лес) несколько.активнее перемещали фронт миграции (4,2 см), чем раствор ®К (4,0 см). Также раствор ГК (1,8 см)"вы мывал

54Мп эффективнее, чем дренажные воды (1,6 см) и воды на-.-горно-ловчего канала (НЛК) - 1,2 см. Элюирующее действие ЭДГА в горизонтах AJ и АрВ в 9 раз .и в А^ - в- 4 раза превышает действи дистиллированной воды. -В" случае с ФК вымывающее действие в .8 и .-7 раз, соответственно', больше по: сравнению с водой. Т.о. гумусе - вые. горизонты используемых почв более активно,. чём подзолистые.'

и переходные горизонты, сорбируют низкомолекулярные ФК и теряют

с нисходящим током ГК.

При изучении динамики сорбции низкомолекулярных фульватов 54

и гуматов Мп по сравнению с ионной формой элемента в горизонтах

целинной дерново-подзолистой глеевой почвы под лугом установлено,

54

что миграционная способность низкомолекуляршх гуматов Мп умень-. шается вниз по почвенному профилю. В гумусовом горизонте мигра-' ционная способность марганца убывает в ряду вариантов: Мп - <Ж > Мп - ГО ? Мл2+, а в А2 - В2ак - Мп - ФК > Мп2+ > Мп - ГК. Обна-рутхили, .что Мп, внесенный в почву как ион , так и в составе органоминерального комплекса,включался в состав гуминовых и фульвокислот в диапазоне молекулярных масс 275-8820.

ГЛАВА 5. Доступность фосфора для питания растений при возрастающих дозах марганца в корнеобитаемом субстрате.

Изучение скорости минерализации растительных остатков, содержащих Р, под действием возрастающих доз марганца проводили в опыте с песчаной культурой ячменя. В вариантах содержания марганца 0-10 мг/кг установили, что повышение концентрации металла в субстрате увеличивает биомассу и, особенно, корневую массу ячменя, а также коэффициент использования (КИ) фосфора. При повышении содержания марганца в субстрате от 0 до 1,0 чг/кг коэффициент биологического поглощения фосфора корнями и наземными органами растений увеличивается з 3 раза. Дальнейшее увеличение концентрации металла снижает КБП в 2,4 и 4,3 соответственно (рис.2).

В условиях водной культуры установили, что ВОВ снижают КБП фосфора в диапазоне концентраций Ми 0,0-0,5 г/л, фосфора - 0,3 • г/л и убывают по этому показателю с уменьшением 660 > 495 > 370 > 275 > 230 тем заметнее, чем больше концентрация Мп в раст- -

воре. ВОВ с ММ ^ 370 во всем диапазоне содержания Мп обусловливают базипетальный, а при .использовании фракций ВОВ с ММ= 495 и 660 -

ор

- акропетальный характер распределения Р в проростках (рис.3).

Используя образцы дерново-подзолистой глеевой почвы различной гумусированности оценили действие этого фактора на поглощение Р ячменем при варьировании соотношения С:Мп. Установили, чтс биомасса и КИ фосфора наземными органами ячменя увеличиваются при повышении гумусированности почв с 1,0 до 5,7 %. Минимальные зна- . чения КБП фосфора сопряжены с концентрацией марганца в почве 100 мг/кг, а максимальные - 1,0-10 мг/кг. Повышение гумусированности почвы и неоптимальное содержание в ней металла (1,0 и 100,0 мг/кг) увеличивает корневую массу ячменя и сопровождается -оттоком фосфора в наземные органы растейий. Уменьшение ^числа активных корней в эксперименте усиливает их всасывакицую способность при гумусированности почвы 2,1-4,9'?$ и снижает при содержании гумуса 1,0 % (рис.4). . '

6. Трансформация соединений марганца в почве.

4 »

Селективное определение различных форм марганца позволило установить, что фракционный состав соединений металла в почве ' определяется источником внесения элемента, видом угодий и расто- .-янием между дренами (рис. 5а, б')-. -Зона -насыщения пахотного гори- • зонта почвы, осушаемой приА=30 м, характеризовалась более высог ким содержанием подвижных (52,1 минерального и 44,1'%— ' ■

для органического источника -элемента), легковосстанавливаемых (31,4 и 33,7 %) и органомиНеральных форм марганца (44,0 и 40,ЕЙ), а при 12 и - доступных (52,1 ti 65,4 %). Внесение в почву ион-них форм марганца способствовало увеличению в'ней доли активных соединений этого элемента, а внесение меченых растительных ос-.

Гу1

гатков - водорастворимых и обменных. Миграция Мп в гумусовых горизонтах исследуемых почв обусловлена наличием водорастворимых, обменных и связанных с органическим веществом соединений элемента, а его аккумуляция - кислото- и восстановленнорастворимых. Эффект от применения восстановителя снижался, а восстановительные условия усиливались в следующем ряду вариантов: пашня с к =12 м >

луг > лес > пашня с к=30 м. При использовании органического источника элемента он оказался меньше.

ГЛАВА 7. Транслокация марганца в системе почва-растение.

Дня характеристики относительной абиогенной миграционной способности изучали влагоперенос в почвах в те же сроки, что и транслокацию марганца-54. Результаты свидетельствуют о том, что гидрологические характеристики почв оптимальны для нисходящего тока влаги в течение весенне-летнего периода. Причем,максимальная глубина миграции достигалась, уже к концу июня и практически не 'изменялась к началу осеннего периода миграции. Отмечено, что вертикальный перенос влаги в зимне-весенний период протекает более интенсивно, чем в осенне-зимний. Причем,во все сезоны убывает в ряду вариантов': к =12 м > А- =30 м > лес > луг.

Изучение абиотического перемещения марганца проводили по трем периодам миграции: с 5 мая по 9 октября, с 9 октября по I декабря, с I декабря по 5 мая. Полученные экспериментальные кривые распределения в изучаемых почвах содержат область насыщения и размытый "фронт", причем внесение ионной формы марганца обеспечивало большую глубину перемещения метки чем при использовании растительных остатков. Причем характер вертикального распределения активности Мп в составе минеральной части почвы определяется величиной среднего перемещения метки. Уменьшение

\г

расстояния между дренами ( К- ) с 30 до 12 :л обусловило увеличение за вегетацию всех параметров миграции глубины миграции Н -

- в 1,5 раза, площади "растекания" метки 5 - от 4 до б раз и объема миграции V - в 5-9 раз в опыте с использованием минерального источника марганца и соответственно в 1,8-2,6 раза, до 30 и в 75 раз в опыте с органическим источником элемента. Во всех опытах с использованием растительных остатков и при внесении минеральной формы ^Мп между дренами и на лугу боковое смещение (БС) равнялось I. Значение БС максимально (БС=4) при внесении над дреной и А- =12 м и равно I при к =30 м. Промежуточное значение показателя (БС=2) получено в вариантах опыта с заложенного в лесу и при Ь= 18 м.

При внесении 54Мл2+ на осушаемой пашне и в лесу величина Я^

' 54

оказалась в 3-7 раз больше, чем при использовании Мп-растительных остатков. В целом, величины Я £ марганца-54 убывают в ряду вариантов: осушаемая пашня > лес > луг.

Закономерности, выявленные при рассмотрении абиогенной миг-

54 -

рации Мп в осенне-зимний период миграции, аналогичны - получен-

ныл в течение летнего сезона. Фиксированная величина зоны насыщения (1,0 см) и увеличивающаяся при умМ'йиешй междренного расстояния (от 30 до 12 м) ш}фина"^р01Гт"с'Бвдетельствуют о том, что . процесс сорбции (из обоих^йеточников элемента) описывается линейной или вогнутой "-Избермой 'сорбции. Т:ё. условия сорбции марганца, особенно,"внесённого в ионной форме ухудшаются по сравнению с предшествующим йермодом миграции.

К*

Предполагая полное отсутствие Мп в составе активных корней (метку внесли I декабря) фиксировали распределение изотопа тольг-ко в минеральной .части почвы. В результате натурных модельных исследований установлено, что в зимне-весенний период в условиях'

А/е, мл

Рис.1. Гель-хррматсгра\аш неорганических и органических

соединений паргевда (А - ,'п ЙС; * 7Н^0 при рН 1,6,'9;

Б - .д1н - гуииновых соединений : I - распределение углерода; 2 - марганца; В - органического вещества дрзналнмх: год).

Мп, мр/КГ

Рис.2. Коэффициент биологического поглощения фосфора ячменем при увеличении содержания марганца е субстрате (I - наземные органы, 2 - корни, 3 - суммарная биомасса).

ММ, у.е.

Рис.З. Расчетные коэффициенты биологического поглощения фосфора биомассой я.меня в зависимости от молекулярной массы водорастворимых органических веществ и возрастающих доз марганца (I - 0, 2 - 0,001, 3 - 0,01, 4 - 0,1, 5 - 0,5 ^ ).

Рис.4. Соотношение вегетативной и корневой масс проростков ячменя (1,2,3), а также соответствующих коаффициен-тов'использования'фбсфора (4,5,6) при повышении гумусироваяности почвы и содержания марганца ( при содержании марганца 1, 10, 100 ыг/кг соответственно)

40

30

'20-

10-

□ - А

□ - в

о •. о

N вытяжки

Рис.5 .Фракционный состав соединений марганца (1933г) . .'.в осушаемой дерново-подзолистой глеерой почке при внесении ^'¿п и }) =1£ м (м^-.уду дрен) з объеме миграции 0ч;,1п (А) и б зоне "плато" (Б), от суммы вытачек (I - еодорастюримые, 2 - :,6-" . • • менные,. 3 • - актмпнке," 4 - клслетсрастгоримуе,

о - -экстрагируемые лкро$осфаток, 6 - остаточке).

I 2 3 4 5 6

N еытяжки.

Рис. Фракционный состаЕ соединений марганца (19с33г) е осушаемой дерново-прдзолистой глеевой почве при внесении растительных остатков и К =12 м (мезду дрен) в объеме миграции ^¡¿п (А) и в зоне "плато" (Б), % от суммы Еыгяжек (обозначения те же, что и рис.5а).

Рис.6. Изменение некоторых параметров переноса марганца в целинной луговой почве к концу вегетационного периода, % от внесенного

64..!п2+ (1,3

содержание 54;,ш в вегетативной

массе трав и,г верхнем слое почвы 0-3 см, <¿,4 - расчетные данные соответственно). ■

Ve, мл

Ve, мл

максимальной осушенности почвы (внесение метки над дреной) уси-

г;/1

гсивается сорбция Мп, внесенного в ионной форме,-Процесс сорбции элемента в этих условиях будет описываться, по-видимому, выпуклой изотермой сорбции. Следует отметить 1,3-1,8-кратнне увеличение глубины проникновения метки по сравнению с осенне-зимним периодом.

Напряженность процесса биологической антигравитационной !£1Г-

рации марганца (наземные органы) контролировали;!) определением

54 4

содержания Мп в растениях на разных стадиях онтогенеза и 2) измерением фотосинтетической активности хлоропластов (£>АХ) в присутствии Мп^+.

В целом за вегетацию КИ Мп, внесенного в ионной форме,в 1,3-1,8 раз превышал этот показатель при использовании меченных растительных остатков в условиях осушения. Под пологом леса различия между двумя формами внесения не обнаружено (КИ-4,3 3). Под луговой растительностью КИ марганца из состава растительных остатков на 5 % превышал усвоение элемента, внесенного в ионной форме.-

г./

Для обеих форм препарата Мп КИ элемента в целом за вегетацию убывают в ряду вариантов: луг > к =12 м > к =30 м > лес.

Концентрация.марганца б наземных органах трав при увеличении мездренного расстояния оказывается в 1,3-2,9 раз больше при 54 2+

внесении Мп , чем при использовании растительных остатков.

Сезонное изменение содержания- металла в наземных органах трав характеризуется относительным повышением концентрации мар-

ч

ганца в середине июня и в конце вегетации (август-октябрь).

Отмечено, что при усилении гидроморфности почв адекватно уменьшается глубина проникновения активных корней - в 2,2 раза в ряду угодий: осушаемая пашня - луг- лес. В этой не после-

и

довательности уменьшается корневая масса - 221,5 , 37,4 и 33,1 г в изучаемом объеме почвы.

Масса наземных органов трав максимальна на учетной площади целинной луговой почвы (47,5 г), а минимальна - под лесом (4,6 г)

Установили, что в первой половине вегетации зависимость массы наземных орган'ов от степени осушенности псчвы практически не наблюдается.

Суммарная биомасса (т.е. корни и наземные органы) максимальна при минимальном междренном расстоянии (256,7 г), ^ариант под лесной растительностью демонстрирует минимальное значение (37,7 г! а на лугу - промежуточное (84,9 г).

Соотношение процессов корневого усвоения и антигравитационного выноса марганца с наземными органами характеризуется величиной отношения соответствующих масс. При усилении осушения пашни это соотношение уменьшается в ~2 раза. На целинном лугу данная величина максимальна (1,27), а под лесной растительностью - минимально. (0,139).

Установлено, что КИ марганца корневой системой травянистых растений определяется как их флористическим составом, так и поч-венно-экологической обстановкой.

В слое почзы 0-4 см обнаружено от 75 до 100 % "^Мп в расчете на общее содержание изотопа в корневой системе растений.

Тот факт, что глубина проникновения активных корней в 1,5-2,6 раг превышала глубину проникновения метки при внесении

и в з)7_ю>5 раз при использовании растительных остатков» свидетельствует об антигравитационной направленности потока элемента в растение 'и образовании сходных транспортных соединений.

К окончанию вегетационного периода растения усвоили от 13-83 % до 13-62 % внесенного марганца соответственно в ионной и

органической форме.

54

В зоне "насыщения" почвЫ Мп концентрация метки в живых-

корнях в 2-11 раз превышала его содержание в минеральной части

почвы при междренных расстояниях 12-30 м. В пределах "фронта" 54

миграции содержание Мп в составе живых корней во всех-вариантах опыта (при внесении оо'еих форм элемента) оказывалось меньше, чем в минеральной части почвы.

КБП■марганца наземными органами трав оказывался в 1,6-56,0 рал, а корневой системой в 1,2-39,8 раз больше при использовании ^Мп^'по сравнению с растительными остатками. Причем,КБП элемента наземными органами в 1,4-5,4 раз превышал этот показатель для корневой системы. В нисходящем направлении КБП марганца корнями'увеличивается в 1,3-15,2 раз.

54

Годовой цикл миграции Мп анализировался по четырем фазам этого процесса:

1. Абиогенный перенос с 10 октября по I декабря;

2. Абиогенный перенос со 2 декабря по 5 мая;

3. А- и биогенный перенос с 6 мая по 26 июня;

4. Биогенный перенос с 27 июня -по 9 октября.

Среднее перемещение метки в почве составило в осенне-зимний период - 0,5-1,0 см, в зимне-весенний - 0,5-2,0 см и в весенне-летний - 0,5-5,5 см. На базе полученных данных была ссетавле-

54

на.таблица абиогенного распределения Мп в минеральной части почвы в зависимости от среднего перемещения метки при поверхностном внесении элемента. Для расчетов приняли, априори, что НИ марганца, локализованного на разлишой глубине, пропорционален массе активных корней в конкретном почвенном.слое. Различия в соотношении КИ элемента наземными и подземными органами трав несущественны при сравнении двух источников металла (Мп~+" и рас-

ти-тельнче остатки).

Экспериментальные данные свидетельствуют о наличии тенденции к снижению величины R■f °%п со временем и стабилизации этого параметра к 3-у году исследования в диапазоне 0,004-0,015, Аналогично снижается средняя эффективная скорость нисходящей мш рации металла: в 3,5-5,8 раз в осушаемых почвах, в 2,5 раза - в лесу и в 1,9 раз под луговой растительностью до 0,05-0,12 см/мес При этом 10-кратное снижение концентрации в слое 0-15 см интенсивно осушаемых почв ( /г =12 м) ожидается к 1988 году (т.е. через 5 лет), но уже через 10 лет после внесения уровень содержания Мп уменьшится в 100 раз. С минимальными потерями протекав'.' "малый" круговорот металла в условиях целинного луга. Так,

54

ч^рез 36 лет после внесения концентрация Мп в корнеобитаемом слое почвы (0-15 см) уменьшится в 3,5 раза (рис.6).

Со временем усиливается дифференциация почвенных соединениГ марганца по относительной миграционной способности. Так в 1983 г в опыте выделено 3 группы форм марганца.-54, отличающихся по вели чике И £ , в 1984 г - 4, а в 1985г- 6. Обнаружена тенденция к относительному накоплению труднорастворимых соединений марганца в слое миграции со временем и при усилении осушения, а максималь ные значения отмечены для водорастворимых и связанных с органическим веществом форм металла.

выводы

1. В лабораторных и натурных исследованиях теоретически обоснованы и практически подтверждены методические подходи комплексного изучения состояния марганца и численного расчета послойного перемещения этого злемс-нта в осушаем»:«;' дерново-полг>о.пиогь!ч глеевнх' почвах: з диапазоне атомно-ч<~>лек,у лярijof! и npofiWM'c- ¡••'•f-тичеок'.п1! структурной оргари*ашш почр,.

I. Методом систематизированной голевой хроматографии установили, что 'молекулярная масса' асссциатов неорганических форм марганца в растворе увеличивается с 240 до 385 при гювыиении рН (о G : до 9). Данные лабораторных экспериментов указывают, что соотнесения медду углеродом гумусовых кислот и металлом - С; М» - ь рзет-'воре, сложившиеся после образования осадка при температурах от до 40°С, меньше, а в осадке - больше заданных.

3. С применением метода меченных атомов установили, что скрывающее действие на марганец растворов ниэкомолекулярнь.ч ryyyooinx

кислот (600, 500 у. е. ). поверхностям и дренатк ьод.»3$к-420 ■ у. е. ) оказываете» слабее по сравнению с раствором ЗДТЛ (углерод 0,6 иг/л), но «ник, чем при использовании дистиллированной воды и убывает в ряду вариантов почвенных горизонтов: А^- А^В.

4. Внесение в почву растительных остяткор усчлис:-*с^. »>-•

2.+

cpa?H'4[',if о У--. , относит-''лыю'1 накопление ьод.'р-ла^л-омых .* обменных соединений марганца, а испольговннии ионных tfopM иег»ли -• активных. ■ В процессе освоена и шлиорировения л».-рио»'.о-п'"«дс-лйсть'х .глеовы:' гочь в горизонте А.^ последовательно снип^Ч'-л }ч а ..активный-it КЯСЛ- Щ0Р№Т*0РИМ№( форм МНрГвННН ^ fe fc.3 У 1 ,'г ра:--ч). ■-! орглчноминеральних - повышается в 4 ра'-а.

Увеличение междренного расстояния наиболее заметно уменьшал содержание остаточных ( доступных и органоминеральных) форм марганца, другие вьвделяемые формы элемента подчиняются противополож ной зависимости, особенно водорастворимые - их содержание увеличилось в 3 раза.

5. Факт изменения масштабов миграции и состояния соединений марганца на "активной" и "пассивной" площади й при различных меж-дренных расстояниях исключается и не учитывается при ординарном мелиоративном" проектировании. Миграция марганца в органогенном горизонте дерново-подзолистых глеевых почв обусловлена наличием . водорастворимых, обменных и связанных с органическим веществом соединений элемента, а его аккумуляция - кислото- и восстановлен-норастворимых.^

6. Прямыми методами установлены принципиально новые особенности участия марганца в формировании , почвенного покрова осушаемых почв в "активной" и "пассивной" зонах. В частности

/^активных и кислоторастворимых форм марганца возрастает с увеличением междренного расстояния при внесении Мл в между дренами, а над дреной - уменьшается.

32

7. В радиовегетационных опытах с Р установили, что акро-петальное распределение фосфора в растении ячменя обусловливается: неоптимальным содержанием доступного марганца в корнеобитае-мсм субстрате (чрезмерно низкая или высокая кэнцентрация-1 и 100 мг/кг), повышением гумуссированности почвы до 5,7 присутствием в почвенном растворе водорастворимых органических соединений с молекулярной массой > 370. Последние снижают КЕП фосфора ячменем и убывают по этому показателю в ряду молекулярных масс: 660 > 495 > 370 > 275 > 230, тем заметнее, чем больше концентрация карганиа в растворе (0-0,5 г/л). Уменьшение числа активных

орней в экспершенте усиливает их всасывающую способность при умуссированности почвы 2,1-4,9 % и снижает при содержании гуму-а - 1,0 %. ■

8. Относительная миграционная способность почвенных форм арганца, как экспериментальная, так и расчетная последовательно меньшались за 1983-1985 гг.,1 проявляя тенденцию к стабилизации начений Я ^ в диапазоне 0,004-0,015 и сближению целинных и осуиае-ых вариантов по этому показателю. Причем, максимальные значения

отмечены для водорастворимых и связанных с органическим ве-¡еством форм металла. За время опыта средняя эффективная скорость [исходящего перемещения марганца снизилась в 2-6 раз, достигнув уровня 0,05-0,12 см/мес. •

9. В течение 1983-1985 гг. отмечалась тенденция к относитель-юму накоплению труднорастворимых соединений марганца в слое миг-

зации и дифференциации по способности к миграции в почве тране-

54 1

[армированных соединений Мп. Так, к осени 1983 г выделено 3,

[984 г - 4,, а 1985 г - 6 групп соединений марганца, различающихся по величине Я ^ . Причем, в гумусовом горизонте целинной дер-тово-подэолистой глеевой почвы под луговой растительностью миграционная способность марганца убывает в ряду: фульваты Мп > гу-чаты Мп > Мп2+, а в горизонтах А^ - В^ср - фульваты Мп > Мп^+ > гуматы Мп. Устойчивые Мп-органические соединения гумусовых горизонтов изучаемых дерново-подзолистых глеевых почв (молекулярные массы 600 - 1000) представлены в дренажнък водах на 64 % низкомолекулярными фракциями - 230-495.

10. На основании проведенных расчетов установили,- что биогенный вынос марганца, после его однократного поверхностного внесения в почву, в виде Мп 50^, уменьшится в 10 раз в условиях максимальной осушенности почвы ( к =12 м) через 5 лет, при К- =30 м

и в лесу - через 4 года, а в условиях целинного луга - через II лет. По результатам 1983-1985 гг. - биотическая абсорбция марганца превосходит объемную дисперсию его форм в почве. В последнем случае "малый" круговорот марганца протекает с минимальными потерями. Так, через 36 лет после внесения только в 3,5 раза уменьшится концентрация марганца в корнеобитаемом слое почвы -0-15 см.

Научно-практические рекомендации

1.,Для практического использования рекомендуются данные о дифференцировании осушаемой площади на "активную" и "пассивную" части, что позволяет учесть специфическую пестроту почвенного покрова, обусловливающую особенности миграционных и трансформационных потоков марганца и систему применения удобрений в осушаемых и целинных дерново-подзолистых глеевых почвах, при прогнозе транслокации марганца и организации фонового мониторинга.

2. Практические и теоретические исследования перемещения марганца в биогеоценозе для прогноза загрязнения и оценки защитных функций почв и растений обобщены в программном-комплексе на машинном носителе Ч1ВМ/РС(ХТ)) по расчету многолетней транслокации марганца в изучаемых почвах с учетом формы поступления металла в почву (на стадии оформления документации в фонде алгоритмов и программ).

3. Экспериментальные данные о влиянии возрастающих доз марганца в песчаной и почвенной культуре и присутствия низкомолекулярных органических веществ в водной культуре рекомендуется использовать для практического нормирования поступления фосфора

в растения.

4. При основном внесении гранулированных удобрений, содэр-

жащих Мп, сидератов, в подкормку или в качестве регулятора поступления фосфора в растения, а также при известковании рекомендуется учитывать параметры динамики сорбции металла в зависимости от аг-рогенной эволюции почв для выбора оптимальной плотности разбрасывания удобрений и мелиорантов. При переходе от осушаемой па.^-.н Ы12 м на участок с 11-30 м густота рассеяния Удобрений дол/.на увеличиться в 4-6 раз. Глубина и способ заделки удобрений определяются глубиной локализации основной массы активных корней культуры.

1. Карпухин А. К. , Расан'ов A.M.. Гаяуяко в. А. Гель-хроматогра-фическое исследование соединении марганца // Современные цроцессн почвообразования и их регулирование, в условиях интенсивных с нот-'* земледелия, - М.: ТСХА, 1985. - С. 52-58.

?.. Карпухин А. И. , Гасанов А. М. , Галуико В. А. Растворимость .марганец- и ж-лезогумусовых соединений в зависимости от 1емт.*р:иу • ры почвенного раствора // Известия ТСХА.- 1985. - N6.- <Л 6 J-.*>').

3. Карпухин А. Я. .Гасанов А. И. .Гадуиго R. А. Миграция сомик« шнл марганца в осушаемой дйрчрво-подгол'.стой гле^го^ почв»/ / /кг, а- m. вопросы генезиса и мелиорации почв. - М.: ТСлА, 190'''. -С. 14- ТУ.

4. Карпухин А. И. , гасанов А. .V. , Гач.'.-ита В.-А. Транс^орма:и миграция соединений марганца в осушаемой дврнопо-поляолкстой 7Ле"--вой почве // Известия ТСМ. - 1987. - N4. - о. 60-94.

5. Карпухин А.'И. .- Гасанои A.M.. г&луцци P.A. Мнгрмля сое т.; • нений каяьциа в с-ушгюмой дерново-подзолистой главой почв- Управление плодо, од-гсм почв в условиях интенсивного их • mcucw.«.»-»-ПТ1Я. - М. : Н.'-ХЛ. J 001. - 0. 8C-IV.

Список опубликованных работ по теме диссертация.