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"

-зоб ГО

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ 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 Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — профессор, доктор биологических наук А. И. Карпухин.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Карпачевский Лев Оскарович, кандидат химических наук, доцент Кузнецов Анатолий Васильевич.

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

Защита состоится « . . .... в « Я часов

на заседании специализированного совета К 120 35 01 в Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

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

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан . . . . 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета -

М. В. Вильяме

• л • 7'"": 7. Г - 7 • 7 ' ■ ■■ ■

Общая характеристика работы ■ • Актуальность темы. Объем дренажного стока Нечерноземной зо-йы РСФСР составляет 5-7 км3 в год. При широких масштабах осушительных мелиораций обостряется проблема неизбежного выноса элементов из почвы и взаимодействия дренажных вод с другими компот -Центами биоценоза (Зайдельман Ф.Р., 1981). В частности, сведения * по вопросам растворимости,.природы и состава марганецорганических. соединений, определяющих подвижность металла и других,элементов в трофических цепочках биогеоценоза; отрывочны и неоднозначны;"

Как необходимый микроэлемент марганец активно влияет на биохимические процессы в системе почва-растение, во многом опреде- . ляет питательный режим почв. "Концентрационный коридор существо-, вания" растений определяется фракционным составом соединений марганца в почве. В связи с этим вопросы регулирования питания растений за счет коррекции соотношения групп соединений биофильных. ' элементов представляют значительный интерес.

Кроме того, как продукт нейтронной активации 54Мп в -больших количествах образуется йри испытании ядерного оружия. Так июк ек-ция радионуклида в конце 1961 года составила 5,2 ЭБк (Филов В.А.,

1990). 7 -7^ 7.7.. 7 - ' 7-- -.777 7 77:''..

, Таким образом,' актуальность исследования определяется, во-первых, слабой изученностью вопросов.миграции и трансформации . соединений марганца в осушаемых и целинных: ландшафтах, во-вторых, перспективой долгосрочного прогноза чповедения и поиска путей контроля подвижности и вьшоса тяжелых металлов из биогеоценоза.

Цель и задачи исследований. Целью работы являлось комплек- . сное изучение процессов трансформации в почве соединений марганца, внесенного в составе растительных, остатков и в ионной форме. Более общая перспективная цель заключалась в разработке на приме- --77-7 7 777,-, 7

|'' ' цлт'лл-м.'.п .

ре этого металла программного комплекса на машинном носителе для организации фонииого геохимического мониториша Поэтому в работе основное внимание Уделено триаде, миграция марганца в почве -^го трансформч1ги! - доступность для чтений.

Кенкр-1кь.к'и Задачами ¡г.лыиоь гдеяукшль

1. Оц«-!'Ка вертикальная миграции в почве и поступления в растения марганца-54 из состава растительных остатков и минеральных форм ч'гсго элемента в условиях полевого опыта.

2. Фракционирование соединении марганца-64 в гочве по модифицированной нами методике

Я На осюв»- данных о влагоперьнисе и миграции элемента в почве выполнение расчета многолетней транслокации марганца.

Описание массо- и чнергсперенооа математическими моделями требует выделения в почве ряда эффективных фаа и условий, влияю-да нл подвижность мигранта. Имеющуюся информацию дополняли-

4 Изучением процессов растворения - оснащения; соединений марганца в зависимости от рЛ, концентрации и соотношения С. Мп, те>,-с ',< чгурь! системы осадок-раствор в лабораторном эксперименте

5 Оценкой в 5ляния водорастворимых ор1 лничесих вешеств (ЕСЕ) ьа. молекулярно-массовое "распределение и миграционную сп сюнссть марганца в почвенных колонках.

»3 Определением концентрации марганца, оптимизирующей ПО! рупление фосфора в растен.н ичм чн в условии\ радиоьегетаци-онч^го опыта,-

Научна новизна работы ВперЕЫе В едином эксперименте синхронно исследованы "г^нсформацит и мигрчьдя марганца-54 иа состава р «т.гае аьных с танков и минеральных форм элемента ь осушаемых по £лх Одновременно!* и«0-;.одение поведением марганца Е агро-

и целинных ландшафтах-позволяет сравнивать естественные и антропогенные факторы воздействия на биогеоценоз. По - полученным дан-• ным впервые- рассчитано многолетнее перераспределение этого • элемента в системе почва^растение 'для осушаемых.ландшафтов. • •! •'•• .' г г С испольвованием современных; физйко-химических методов проведено -изучение влияния,рН,;' концентрации металла, 'соотношения С: 1Ап;. вида ВОВ,'.^температуры системы осадок-раствор на растворя-.мрсть и молекулярно-массовое распределение марганца, его миграционную' способность; й доступность растениям в лабораторных и натурных, условиях.; .' ; V. -° ■''-: -.'.' *' ' .' , *' '•'1 Практическая ценность.-' Предложен системный подход и- набор методик для изучения, поведения';марганца в" системе почва-«растение'^ . намечены возможные пути изучения* .процессов ; транслокации марганца- в почве,. : Результаты могут, быть; использованы в-.решении вадач фонового мониторинга..;. Способ;расчета■ п-гремещзния марганца в системе почва-растение" и,программный комплекс; решающий эту ^задачу, рекомендуются к применению в научных:учреждениях в: .-об-." ласти • экологии почв.;. С использованием метода меченных атомов уточнен,характер воздействия-концентраций марганца в корнеобита-емом субстрате:' на,-.'.поступление; фосфора ".'в'растения в условиях песчагой,'водной и почвенной культур. ■ . . *.' ,.-',"" . : :Апробация работы. - Материалы -диссертации докладывались на научно-техНической;конференции, МГМК- в 1.984г., .' на научных конференциях .юл&дых; ученых Т.СХА факультета агрохимии и-почвоведения в 1$85-193бгг,' на. заседаний Ученого. совет« ВИУА ъ 1992 г.. - .

:Публикации. По ' материалам'диссертации'опубликовано .5 научных.работа '. .-' ..- , . : • >'

' Структура' и объем диссертации.: Диссертация ' изложена-- на

Еу8 страницах," включая 41 таблицу, 3? рисунков и состоит-из введения, обзора литературы, раздела "Обьекты и методы исследований", 5 глав экспериментальной части'и приложения. Список цитируемой литературы содержит £50 источников, в том числе 98 на иностранных "языках.. :

^ ; " V ••'■'■. . СОДЕРЖАНИЕ' РАБОТЫ : ">"'-... ■ •'/ '

Введение. Кратко обоснованы актуальность темы исследований, *

научная новизна и практическая ценность полученных 'результатов.

ГЛАВА1. ОСаор литературы. . Рол> марганца в эволюции педосфе-ры.' Проанализирован литературный материал, касающийся содержания-марганца и его Форм в почвах и почвообразуюищх породах,' ' влияния •марганца на педогенез, 'Плодородие и сорбционные свойства почв, .его участия.в процессах физиологических и загрязнения, биосферы, а телде' вопросов питательного режима и экологии осушаемых почв.

Приведены литературные сведения по проблемам абиогенной- и биотической миграции марганца,- трансформации его соединений, долгосрочного прогноза транслокации метачла в биогеоценозе,-влияния факторов внешней среды и концентрации марганца на растворимость и доступность растениям.его соединений .,.

•Обзор показал, что несмотря на значительное количество материалов по данным ропросам до нестоящего кремени мало изучено»: •

1.' Микро-;, и . мезораслределение отдельных, форм- соединений марганца в процессе миграция при позерхностном' внесении марганца в почву. .

2. Трансформационт« изменения "и подвижность .[соединения ме.рганца.

; .. 3. Транслокация марганца в почве в ; условиях долгосрочного натурного эксперимента. 1 ' \ . . .••;■"

'4.': Влияние факторов; внешней Череды на-, молекулярно-массоьый состав" й растворимость соединений марганца, лх подвижность, доступность растениям.' ' . " '.-'•'■'.• - ; ;

Большинство исследований по вопросу о динамике марганца-в ,почве оперирует данными о содержании . прочносвязаннкх форм его соединений(растворимых, в 0,1н.Н^50^и валовых),' С нашей'точки ¿рения изучение«генезисами'плодородия почв невозможно без анали-" за фракционного состава соединений элемента. . Однако, в "расчетах1, перемещения мигранта в многолетнем миграционном цикле допустима минимальная - детализация. Исследованиями Гасанова А. М.. (1990)' установлены- закономерности' морфологических, химических, водно-физических и ¡фожайных характеристик изучаемых нами почв. Указания автора на формирование придренного иллювиального - горизонта. оппонируют исследованиям Пёстрякова ¿К., ,(1977) и НМи-гельской К.Д. (1990),. которые не отмечали подобного явления. Характер изменения урожайности' трав,: полученный Гасановым А. М. на вариантах удобренных осушаемых., почв не согласуется с нашими данными для;неудобренных участков. ■ : . ' '

При'разрешения перечисленных вопросов возможно: . ' ..'•*• . '1.. С новой точки зрения.оценить некоторые вопросы развития элювталъно-глеезого и подзолистбго процессов. ' '

2. Охарактеризовать : некоторые ид потоков миграции*марганца в почвах. - 1 "■■■ ; ./'"■■'• " - ■ '•••

..." 3., Уточнить*.роль .соединений марганца, в "формировании, питательного I режима почв/: • ,*.•.

ГЛАВА 2. Объекты и метода исследований.

В качестве объектов исследований миграции и трансформации марганца были вьбрЭ-ны катены осушаемых и целигогых (под луговой растительностью и в лесу) дерново-подзолистых глеевых почв, сформированных ка карбонатной моренэ. Содержание органического углерода - 0,9-7,99 рН (КС1) 5,02-5,С5, степень насыщенности основаниями - 62,9-89,9

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

В полевых и лабораторных экспериментах использовались методы радиоизотопных индикаторов. Распределение и в почве изучалось координатным способом (по 3-8 румбам). В натурных исследованиях применялся радиометр М-30, а в лабораторных условиях - приборы "ЯлсПв1а " модель 1219 фирмы п£К&пЯ*11аС .

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

В лабораторных исследованиях для выделения форм соединений марганца использовали селективные экстрагенты (Зырин Н.Г., 1974; Ринькнс Г.Я., 1987; Савич В.И., 1967).

Для определения молекулярно-массового распределения марганца в вьт.ткках и доказательства комплексной природы его соединений использовали метод ионообменной хроматографии в тонком слое и систематизированную радио-гельхроматчграфию (Карпухин А.И., 1584).

Агрохимические свойства почв и их валовый состав определяли классическими и новыми аппаратурными методами (анализаторы углерода и азота, атсмно-абсорбционная спектроскопия, рентгено-флу-оресцентный анализ).

Влияние некоторых факторов на фотосинтетическую активность

хлоропластов (MX) оценивали по методике, разработанной А.С.Плеш-ковым и Б.А.Ягодиным (1982). V

•v . Математическую обработку полученных данных проводили на; ПЭВМ. • • '

'/'• ГЛАВА 3. Исследование растворимости и м'олерулярно-массового ; ,.состава соединений марганца в.натурных и лабораторных условиях." :

Молекулярные массы неорганических форм, марганца, найденные -V ' .. по дайным системноированной гвлевой фильтрации, удовлетворитель- ' '

. но совпадают с,табличными значениями.:причем при увеличении рН ; ■ с б до 9 они соответственно возрастают с 240 до 385 .(рис.I).

.'.'■' С помощью;гель-фильтрации установлено,прочное-связывание'•■.'. ионов марганца органическимилмгаццами (ГК, фенол, лимонная кислота). Молекулярные массы соединений марганца с органическим веществом дренажных вод (ДВ) свидетельствуют о полидисперсности и, очевидно, полифункциональности коыпяекса•• компонентов'дренажного .'. .' стока.' Обнаружены, соединения марганца с ММ >.700 , 495 , 370 , 275 , и. 230, при этом низкомолекулярные фракции (MM 700) составляют 84 от исходной смеси. , , , . : ■.' ■ '-

. -. С помощью систематизированной радио-гельхроматографии• выяб-' лен сложный молекулярно-массовык состав" Мп-органических 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-гумусовых соединений возрастает при увеличении температуры'системы -'от 20 до 40°С.Метолло-гумусовые комплексные если-по степени . , . уменьшения растворимости можно расположить в.ряд: фульватн мар-; ганца > г^чаты' марганца;' Соотношения мезду. углеродом.гун^уссвтлс кислот и метачлом - С:Мп'в растворе, сложившйес-з после обрплопа-

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

. ГЛАВА 4. Миграцлч кс\*плексчых маргагецоргачических соединений в почве.

В лабораторных условиях в колонках, заполненных почвой из горизонтов А^ Ао, А,3у целинных и окультуренных дерново-подзолистых глеевых почв, оценили влияние ВОВ, в т.ч. дренажных и поверхностных вод (ДВ и ПВ) на подвижность "^Мп при поверхностном внесении его ионных форм.

сд

Достоверных различий в параметрах распределения Мп в идентичных горизонтах почв различного сельскохозяйственного использования не обнаружено. Причем,послойное распределение 54Мп в данных условиях определяется практически только величиной среднего перемещения ^Мп, которое во всех вариантах убывает в _ряду: Аг> > ''I ^ "2^* Среднестатистические значения вертикального перемещения ^"'Чп для горизонтов А^ и А£В уменьшаются в последовательности вариантов: ЭДГА > Ш > ГО (лес) > ГО (луг) > ПВ (пашня) > ДВ> воды НШ ? П{ /> Н?0д. Однако, в колонках с почвой из горизонтов А- ПВ (лес) несколько активнее перемещали 5рснт миграции "^Мп (4,2 см), чем раствор ЯС (4,0 см). Таюте раствор ГК (1,8 см) вымывал эффективнее, чем дренажные воды (1,6 см) и воды на-горнэ-ловчего канала (НЛК) - 1,2 см. Элюируюшее действие ЭДГА в горизонтах А^ и А^В в Э раз и в - в 4 раза превышает действие дистиллированной воды. В случае с вымывающее действие в 8 и 7 раз, соответственно, больше по сравнению с водой. Т.о. гумусовые горизонты используемых почв более активно, чем подзолистые

л

и переходные горизонты, сорбируют низкомолекулярные <Ж и теряют

о 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, что миграционная способность низкомолекулярных гуматов ^Мп уменьшается вниз по почвенному профилю. В гумусовом горизонте митра-' ционная способность марганца убывает в ряду вариантов: Мп - Ш >

Мп - ГК > Мп2*, а в А2 - В2ак - Мп Ш > Мп2+ > Мп -'ГК. Обна-54

ружили, .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, со-

ор ' ■ ■ * ■ ' -. -

держащих 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 мг/кг коэффициент биологического поглощения фосфора корнями и наземными органами растений увеличивается в "3 раза. Дальнейшее увеличение концентрации металла снижает КШ в 2,4 и 4,3 соответственно. (рис.2). - _ .'■ .'*.-'. "

В условиях водной культуры установили, что ВОВ снижают КЕП фосфора в диапазоне концентраций Мп 0,0-0,5 г/л, фосфора - 0,3 г/л и убывают по этому показателю с уменьшением ММ: 660 > 495> 376 > 275 > 230. тем заметнее, чем больше- концентрация Мп в раст-

воре. ВОВ с ММ 5 370 во всем диапазоне содержания Мп обусломи&ают базипетальный, а при использовании фракций ВОВ с ММ= 495 и 660 -- акпопетальный характер распределения ^Р в проростках (рис.3).

Используя образцу дерново-подзолистой глеевой почвы различной гумусированности оценили действие этого фактора На поглоще-

ор

ние ^Р ячменем прл варьировании соотношения С:Мп. Установили, что биомасса и КИ фосфора наземными органами ячменя увеличиваются при повышении гумусированности почв с 1,0 до 5,7 "5. Минимальные значения 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 растений. Уменьшение #числа активных корней в эксперименте усиливает их всасывающую способность при гумусированности лочвы 2,1-4,9*'* и снижает при содержании гумуса 1,0 % (рис.4).

ó. Трансформация соединений марганца в почве.

• »

Селективное определение различных форм марганца позволило установить, что фракционный состав соединений металла в почве определяется источником внесения элемеята, видом угодий и расторгаем между дренами (рис. 5а, б). Зона насыщения пахотного горизонта почвы, осушаемой при А-30 м, характеризовалась более высоким содержанием подвижных (52,1 %- ДЛЯ минерального и 44,1 %— для органического источника элементе), легковосстанавливаемых (31,4 vi. 33,7 %) и срганоминеральных форм марганца (44,0 и 40,ЬЙ), а при А. - 12 м - доступных (52,1 и 65,4 *?). Внесение в почву ионных форм марганца способствовало увеличению в ней доли активных соединений этого элемента, а внесение меченых растительных ос-

татков - водорастворимых и обменных. Миграция Мл в гумусовых горизонтах исследуемых почв обусловлена наличием водорастворимых," 'обменных и связанных с органическим веществом соединений элемента, а его аккумуля£рм - кислото- и восстаювленнорастворимых. Эффект, от применения восстановителя снижался, а восстановительные условия усиливались в следующем ряду вариантов: пашня с А. =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.

\< . Для 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 оптимальныдля 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 : А- =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 кри--вые распределения ^Мп 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 опредедяется величиной среднего перемещения метки. Уменьшение

Мл, мх»/кр

Р/с.2. лофф1'4. снт биолоп веского поглощения фосфора п-^ыенес при увеличении с^деркания марганца е субстрате (I - наземные органы, Л - корни, 3 - сул»и^ная биомасса).

мм, у.е.

Г

Г

Рис.3; Расчетные коэффициенты биологического поглощения . фосфора. биомассой. ячменя : в 'зависимости от молеку- •

• лярной массы водорастЕоримых. органических веществ' у/- , и возрастающих Доз марганца (I,-'0, 2 - 0,001, , . У у* 3 -'0,01, 4'- 0,1,. 5 - 0,5 ' -

Гумус, %

*

Рис.4. Соотношение вегетативной и корневой масс проростков ячменя (1,2,3), а также соответствующих коэффициентов использования фосфора (4,5,6Х при повышении гумусированности почвы и содержания марганца ( при содержании марганца 1, 10, 100 мг/кг соответственно).

»

% 5040-

30-

'20-

¿. 3 4 . о о

N вьтяяки

Ркс.5а. фракционный сттав следлнен»*? марганца ЦЭсЗЗг) е осуигемой де^иоес-подзочи^тоР гчеер й лс-че грл снесении и Ь =1«- ч (м-'лу дрен)

ч ооъеие ыигр«^... 0*..п (л) к с зоне "пчат„" (Б), ^ от суммы еытя .е'{ (I - ьодэрастЕзримые, 2 - „б-"енные, 3 - аш.-шь., 4 - г ;с. отсрастгагл-^е, о - «страгир^ ^¡е •, 6 - .хтат^н^е).

□ - А

□ " в

10-

0-1--

I

X

20

10

-v*

. ч - у ■>

x

\ хл

чч ' ч ' у v

я,-

X*

\ • X ^

ч ч • "V

V.

V4 ч/V

N ' ч

, Ч

. \

\ ^

ч

\ 4

\ \

\

ч\

□ - А И" В

5 б

N вытяжки.;

• Рис^. 5 .., Фракционный, состав соединений марганца (19с33г) ' . • в осушаемой дерново-подзолистой глеевой почве при внесении растительных остатков"и К =12 м• -(мевду дрен) в объеме миграции ^Мп (А)-и .* " >'' . .в зоне ."плато". (Б);: 3 от суммы .Еытяжек,*.

(обозначения те же, что и рис.5а). • " -

/

Рис.6. Изменение некоторых параметров переноса марганца в це .шной лугэезР почге к концу гегетац^оннс-г^ периода, % от внесенного ^^ (1,3 - годер-аниа о4.щ Е вегетат.-вноР массе трав и г ьерхнеч слое почеы С-З с а, ¿,4 - расчетные данные соответственно).

•я Vj ; 7Э • аз а? :■•.;".'■

;. • . Ve, мл

\г

расстояния «ечзу дгеьами ( К- ) с 30 до 12 м обусловило увеличение

СЛ *

за вегетацию всех гьрамегр^в млгоацил !п: глубины к 1грацил Н -- в 1,5 раза, пло-о, \ди "растекания" ыеткл 5 - от 4 до о раз и объема миграции V - в 5-9 раз в опьте с использованием минерального источника марганца л 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 мине-ральноЯ формы ып меяду 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 пр • К =30 ч. Промежуточное значение показателя (БС=2) получено в вариантах опыта с ^Мп^*, заложенного в лесу и при А/ =18 м.

При внесении на осушаемой пашне и в лесу величина Я §

54

оказалась в 3-7 раз больше, чем при использовании Мп-расаитель-ных остатков. В целом, величины Я ^ марганца-54 убывают в ряду в&риантор; осушаемая палия > лес > луг.

Закономерности, выявленные при рассмотрении абиогенной миг-

ял

рации Мп в осеннё-зимний период миграции, аналогичны - полученным в течение летнего сезона. Фиксированная величина зоны насыщения (1,0 см) и увеличивающаяся при умййыаении междренного расстояния (от 30 до 12 м) ширина "фро'нФа'сйидетельствуют о том, что процесс сорбции (из обоюс^ието-чников элемента) описывается линейной или вогнутой'кзо^&рмой сорбции. Т.е. условия сорбции марганца, особенно,"внесенного в ионной форме ухудшаются по сравнению с предшествующим йеркодом миграции.

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

максимальной осушенности почвы (внесение, метки над дреной) уси-

СД ' .

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

• .Напряженность процесса биологической антигравитационной миг' рацки марганца (наземные органы) контролировали:!) определением I содержания в растениях на разных стадиях онтогенеза и 2) из-,

р. мерением фотосинтетической активности хлоропластов (ФАХ) в присут-

ствии Мп2+. . . ... . • В целом-за вегетацию К'Л 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 раз--•• личия между двумя формами внесения не обнаружено (КИ-4,3 %).

Под луговой растительностью КИ марганца из состава1растительных ' остатков на 5 % превышал усвоение элемента, внесенного в ионной форме.д' ■ ' . •, '

- , Для обеих форм препарата'^Мп "КИ элемента в целом за веге- . у.-' тацшо убывают в ряду вариантов: луг > к =12 м >. к =30 м > лес. ^ Концентрация.марганца в наземных органах трав при увеличе-

. / нии междренного'расстояния оказывается в 1,3-2,9.раз больше при

| ; внесении ^Мп^*1", чем при',,использовании растительных остатков.

Сезонное изменение .содержания-.металла в наземных органах ■«.' трав характеризуется относительным повышением концентрации мар-

• ганщ в середине июня и в конрэ вегетации (август-октябрь).

■ Отмечено, что при усилении гвдроморфности почв адекват-

но уменьшается глубина проникновения активных корней,- в 2,2 ¡'»•раза в ряду;угодий: .осушаемая-пашня. - луг- лес.' В .этой же после-

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 органов от степени осушенности почвы практически не , наблюдается. . . " ' ; •.'.

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

Соотношение процессов корневого усвоения и.антигравитацион- .-ного выноса марганца с наземными органами характеризуется величиной отношения соответбтвующих касс. При усилении осушения пашни: это соотношение-уменьшается в ~2 раза. На "целинном лугу данная v величина максимальна (1,27), а под лесной растительностью - ми-' ' нимальна (0,139). •-.•■■•■

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

В слое почвы 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 раз превышала глубину проникновения метки при внесении

и в 3,7-10,5 раз при использовании растительных остатков»> свидетельствует об антигравитационной направленности потока эле- ; мента в растение и образовании сходных транспортных.соединений.

К окончанию вегетационного периода растения усвоилиот 13-83 % до 13-62 % внесенного марганца соответственное ионнойи

органической форме.

. В зоне "насыщения" псчвМ Мп концентрация метки в *ч'вых корнях в 2-11 раз превышала его содеркачне в минеральной адотл почвы при мездренных расстояниях 12-30 м. В пределах "фронта"

сд

миграции содержание Мп в составе чивых .черней во все: вариантах опыта (при внесении обеих ферм элемента) оказывалось меньше, чем в минеральной части почвы.

1®! марганца наземными органа*«! трав оказывался в 1,Ь-5б,0 раз, а корневой системой в 1,2-39,Ь раз больше при использовании по сравнению с растительными остатками. Причем,гСЕП элемента наземными органами в 1,4-5,4 раз превышал этот показатель для корневой системы. В нисходящем направлении ИБП марганца корнями увеличивается в 1,3-15,2 раз.

сд

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 а весенне-летний - 0,5-Ь,5 см. На базе полученных данных била ссзтавле-

сд

на таблица абиогенного распределения ""Мп в минеральной части почвы в зависимости от среднего перемещения метки при поверхностном внесении элемента. Для расчетов приняли, априори, что пИ марганца, локализованного на различной 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-тельные остатки). • ' . '

Экспериментальные данные свидетельствуют о наличии.тенденции к снижению величины ^Мп со временем и стабилизации этого параметра к 3-у году, исследования в диапазоне 0,004-0,015. Аналогично снижается средняя эффективная скорость нисходящей миграции 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 ^Мп в слое 0-15 см интенсивно осушаемых почв ( А- =12 м) ожидается к'1988 году (т.е.

через 5 лет), но уже через 10 лет после внесения уровень содер-

54 '

жания Мп уменьшится в 100 раз. С минимальными потерями протекаем "малый" круговорот металла в условиях целинного луга. Так, .

■ ^ 54

через- 36 лет после внесения концентрация Мп в корнеобитаемом ■

слое почвы (0-15 см)-уменьшится в 3,5 раза (рис.б).

Со временем усиливается дифференциация почвенных соединений марганца по относительной миграционной способности. Так в 1983 г в опыте выделено 3 группы форм марганца.-54, отличающихся по вели чине Я £ , 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. . 1

выводы

1.- В лабораторных и натурных, исследованиях, теоретически обоснованы и практически подтверждены методические подходы комплексного изучения состояния марганца и численного расчета послойного перемещения этого элемента б-осушаемых', дерново-подзолистых глеевых почвах:', .в • диапазоне.. атомно-;молекулярной и профильно-ген«*-' тнческой структурной организации почв.' ;

Методом систематизированной геле вой хроматографии установили, что-;молекулярная масса- ассоциатор неорганических фэрм марганца в растворе.увеличивается с 240.до.385 при повыаении рН (с б ; до 9). Данные лабораторных экспериментов указывают, что соотноше- . кия между углеродом гумусовых кислот и металлом - 'С; Ми - ь . раст-'воре, сложившиеся после 'образования осадка при -температурах от 20е до'40вС, меньше, а в осадке - больше заданных...

•■3. С'применением метода меченных атомов установили, что вымывающее действие. на марганец растворов ниг-комолекулярных . гумуоогнх кислот.;' (ООО,4 .500 у. е.');. поверхностных и дреналных бод.(34»-4Й0 у.е. ) оказывается- слабее' по сравнению с .раствором ЭДТА (углерод -. 0,6 мг/л)^; но'выше, чем при использовании дистиллированной воды и Убывает" в ряду вариантов почвенных Горизонтов; А^> А^Е.

'■-. .А. Внесение в. почву растительных, остатков усиливает, по , сравнению с Мп , относительно* напоило кие ьодорлстворимых и обменных соединений марганца, а использование ионных форм металла -:. активных.'■. В -процессе 'освоения 'и мелиорирования дерново-иедзо-• '• лясукх.глеевых почь в горизонте А^ последовательно'снижается делл \ активных-и; кислотораствори'м'ых форм марганца (ь 8,3 и 1,7 ра*а), н оргатоминеральних -'повышается' в'.4 раза:

Увеличение междренного расстояния наиболее заметно уменьшало содержание остаточных ( доступных и органоминеральных) форм'мар-ганца, другие вццеляемые формы элемента подчиняются противоположной 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,

Неактивных и кислоторастворимыхформ марганца возрастает с уве--личением междренного расстояния.при внесении Мпб 0^'между дренами, а над дреной - уменьшается.

- 7. В радиовегетационных опытах с Р^ установили,! что акро-петальное распределение фосфора в растении ячменя обусловливается: неоптимальным содержанием доступного марганца в корнеобитае- -* - - ■ . ■■ . . ■ мом субстрате (чрезмерно низкая или высокая концентрация-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: 650 > 495 > 370 > 275 > 230, тем заметнееЦ чем больше концентра--ция марганца в растворе (0-0,5 г/л). Уменьшение числа активных

корней в эксперименте усиливает их всасывшшцую способность при гумуссированности почвы 2,1-4,9 "S и снижает при содержание гумуса - 1,0 °î.

8. Относительная миграционная способность почвенных форм марганца, как экспериментальная, так и расчетная последовательно уменьшались за 1983-1985 гг., проявляя тенденцию к стабилизации значений Rf- в диапазоне 0,004-0,015 и сближению целинных л осушаемых вариантов по этоьу показателю. Причем, максимальные значения

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

9. В течение 1963-1985 гг. отмечалась тенденция к относитечь-ному накоплению труднорастворимых соединений марганца в слое миграции и дифференциации по способности к миграции в почве транс-

цд

формированных соединений Мп. Так,к осени 1983 г выделено 3, 1984 г - 4,, а 1985 г - 6 групп соединений марганца, различающихся по величине R f . Причем, в гумусовом горизонте целинной дерново-подзолистой глеевой почвы под луговой растительностью миграционная способность марганца убывает в ряду: фульваты Мп > гу-маты Мп > Мп2+, а в горизонтах Ag - Во^к - фульваты Мп > Мп^1" > гумат-j Мп. Устойчивые Мп-органические соединения гумусовых горизонтов изучаемых дерново-подзолистых глеевых почв Смолекулкрньа массы 600 - 1000) представлены в дренажных водах на Ь4 низкомолекулярными фракциями - 230-495.

10. На основании проведенных расчетов установили, что биогенный вынос марганца, после его однократного поверхностного внесения в почву в виде Мп504, уменьшится в 10 раз в условиях максимальной осушенности почвы ( к =12 м) через 5 лет, при К =30 м

\ 20 ' ... ' : .. .V '

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 послед-, нем 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

I..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 гфогнозв 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 ме- ° талла в" почву (на стадии оформления документации в фовде алгоритмов и программ). ... , , ■..../ ,'

3. Экспериментальные данные о влиянии возрастающих доз мар--ганца в песчаной и почвенной культуре и присутствия низкомолекулярных органических веществ в водной культуре рекомендуется ис- , ' пользовать для практического нормирования поступления фосфора -

в растения. . : - ; ' . ' ■ • -

4. При основном внесении 17»цулированных удобрений, содер-;

жаннх 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 пашни с И-12, м на'участок с И-ЗО м густота-рассеяния Удобрений должна, увеличиться в 4-6 раз.. . Глубина и способ заделки, удобрений определяются глубиной локализации■ основной кассы активных корней культуры.

. '.Список опубликованных'• робот по'теме диссертации.

• ■ 1. Карпухин А. И. , Гасанов А. М.. Галу'жо Е А.' Гель-хрсматогра- . Фич^ское исследование соединений марганца // Современные процессы 'почвообразования и их регулирование, в условиях интенсивных систем земледелия. - М.: ТСХА, 1985 - С,'5?.-Б8.' ц ; . ' >

2. Карпухин А..'и! ; - Гасанов А. К , .Галушко В. А. Растворимость .марганец-.: и жмтезогумусовых соединений в зависимости от температуры почвенного раствора // Известия ТСХА.- 1985.- N6.- с. 81-85.

■;." - 3.' Карпухин А. И., Гасанов А. МЛ Галушко В. А. Миграция- соединений ' марганцЧ в осушаемой. длряово-подзолистой гле-евой почв,э//Актупльньк'-вопросУ тенезкеа.й'мелиорации почв..- М.: ТСХА. -193"Л -С. 14-19.

' _4., Карпухин А. >!., Гасанов А.-М.,' Галушко В.-Л. Трансформация и ' миграция соединений марганца в осушаемой дерново-подзолистой глее-вой почве. // Игвестия ТСХА. - 196?.- .N4,- С. 60-94.. -'

5. Карпухин А.'И. Гасанов А. М.,' Галушко в. А,- Миграция соединений кальция в осушаемой дерново- подзолистой глег-Еой почве// Управление плодородием'почв в условиях интенсивного их • испсльвовч-: ния. - М.-: МОХА. 1991,'- 0.82-87.: ' " :

Объем 17г п л

Заказ 439

Тираж 100

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