Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Прогнозирование миграции гербицидов в почвах

ВАК РФ 06.01.01, Общее земледелие

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование миграции гербицидов в почвах"

^ I и V

Ю АПР в

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЗАОЧНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

На правах рукописи 7

СМЕТНЙК Александр Анатольевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ ГЕРБИЦИДОВ В ПОЧВАХ

Специальность 06.01.01 - общее земледелие

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Москва -1995

\

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском

институте фитопатологии.

Научные руководители - член-корреспондент PATH,

доктор биологических наук, профессор СПИРИДОНОВ ЮЛ.; кандидат биологических наук, старшин . научный сотрудник ГОРБАТОВ B.C.

Официальные оппоненты-академик РАСХН,

доктор биологических наук, профессор СУСИДКО П.И. доктор биологических наук, . „ профессор ШЕИН Е.В.

Ведущее учреждение - Московская сельскохозяйственная

академия имени КА.Тимирязева

Автореферат разослан"_"_1995 г.

Защита состоится "_"_ 1995 г. в_часов на

заседании диссертационного Совета К 120.30.02.

- С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСХИЗО:

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного Совета К 12030.02, отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 143900, Московская область, г.Балашиха 8, ВСХИЗО, корп.6, Ученый Совет.

Ученый секретарь диссертационного Совета

ЛЛ.Носова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение экологического воздействия гербицидов невозможно без' знания особенностей поведения используемых препаратов в объектах, природной среды и, глгвным образом, в почве. Одним из основных компонентов, определяющих поведение гербицидов в почве, является миграция: совокупность физико-химических и гидродинамических процессов, приводящих к перемещению препарата в почвенных горизонтах.

Для прогнозирования миграции гербицидов в почве используются математические модели. Большинство га существующих моделей никем не тестировалось кроме их создателей. Проверка же адекватности моделей реальным процессам проводилась преимущественно на лабораторных экспериментах. .с колонками. Неясно, однако, насколъкЬ приемлемы параметры, полученные в лабораторных опытах, для прогнозирования перемещения препаратов по профилю почвы в полевых условиях. ■

Цель работы. Апробировать математические " модели, прогнозирующие миграцию гербицидов в почвах, на лабораторном и полевом материале.

Научные задачи. 1. Изучить профильное распределение гербицидов (пиклорама . и дикамбы) в почвах различных климатических зон.

2. Выявить влияние свойств почв, погодных условий и орошения на локализацию гербицидов в почвах.

3. В лабораторных и полевых условиях определить параметры, характеризующие поведение (миграцию, разложение, сорбцию): гербицидов в почвах, необходимые для экспериментального -обеспечения моделей.'"- . .

; 2

« ■ **

»

■ 4. Описать передвижение гербицидов в почвах с помощью

существующих математических моделей, оценить их адекватность реальным процессам миграции препаратов.

5. Проверить модели на независимом материале, полученном в полевых условиях.

Научная новизна. Впервые было проведено комплексное исследование миграционных свойств гербицидов в почвах на колонках и в полевых условиях. Показана необходимость полевых экспериментов для параметризации математических моделей переноса пестицидов в почвах. Результаты расчетов выявили особенность структурных почв проводить влагу и растворенные в ней гербициды по системе проточных пор при частичном заполнении застойных зон порового'пространства.

Практическая значимость работы. Полученный в работе

; фактический материал по поведению пиклорама и дикамбы в дерново-

• подзолистой почве и в черноземе типичном (константы скорости

разложения, коэффициенты гидродинамической дисперсии, коэффициенты массообмена) может быть использован в качестве экспериментального обеспечения математических моделей поведения данных гербицидов в почве. Разработаны методические рекомендации

1

| пользователю модели СМЬБ при прогнозировании миграции

гербицидов ,в структурных почвах. Установлена перспективность модели конвективно-дисперсионного переноса агрохимикатов в почве

; в прогнознь1х целях, указан путь ее дальнейшего усовершенствования

|

для более адекватного отражения реальных процессов. Апробация работы. Основные положения работы были представлены на Всероссийском научном симпозиуме "Мониторинг загрязнения почв ксенобиотиками и адсорбционные методы детоксикации" (Краснодар, 1993), координационном совещании Российской академии

сельскохозяйственных наук "Совершенствование контроля фитосанитарного состояния сельскохозяйственных культур с целью предотвращения вспышек массо вого развития болезней, вредителей и сорняков" (Москва, 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 работы, 1 находится в печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, методических рекомендаций, приложения; содержит 136 страниц машинописного текста, 16 рисунков, 10 таблиц.

"Список литературы включает 143 наименований, в том числе 95 иностранных публикаций.

Автор выражает глубокую благодарность научному сотруднику кафедры физики и мелиорации почв МГУ АЛСГуберу за математическое обеспечение и помощь в использовании программных средств.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

. . На рисунке 1 представлена схема.проведенных исследований. .-

—\

Гербициды- Пиклорам (4-амино-3,5,б-трихлорпиколиновая кислота) характеризуется высокой персистенгностъю и подвижностью в почве. Дикамба (2-метокси-3,б-дихлорбензойная кислота) более подзижна, но менее устойчива, чем пиклорам. Хлорсульфурон (2-хлор-N - {(4-метокси-6-метил-1,3,5-триазин-2-ил) - аминокарбоцил} -бекзолсульфонамид) - один из самых активных гербицидов нового поколения, отличается низкой . персистенгаостью, однако его миграционная способность зависит, главным образом, отрН почвы.

Почвы. Полевые исследования проводились на черноземе типичном (Воронежская область) и дерново-подзолистой почве

(Московская область). Чернозем типичный тяжелосуглинистый

ч,

среднемощный (табл.1). Материнские породы .- лессовидные суглинки.

Дерново-подзолистая почва среднесуглинистая слабоокультуренная (табл.1). Почвообразующие породы - покровные суппшки.

я

Таблица 1

Краткая агрохимическая и агрофизическая характеристика почв

Плот- Размер частиц

Почва Горизонт, Глубина, см рНвод Сорг, % ность, '>0,01 <0,01

см г/смЗ мм , мм

Черно- Ак {0 -10) 0 - 10 6,6 3,55 1.15 35,1 64,9

зем ти- Ал ах 10-20 6,7 3,56 1.12 32,3 67,7

пичный (10-25) 20 - 30 6,9 3,18 1.11 35,4 64,6

А1 30-40 7,0 3,18 1,15 38,4 61,6

(25-79) 40 - 50 7,2 2,53 1,28 • 38,1 61,9

Дерно- Апах 0 - 10 6,4 1,33 1.21 64,0 36,0

зо-под- (0-20) 10- 20 6,1 1,50 1,39 63,2 36,6

золистая А2В1 20 - 30 5,8 0,93 1,60 64,7 35,3

(20-42) 30 - 40 5,4 0,40 1,63 53,9 46,1

В1 (42-80) 40 - 50 5,2 0,20 1,59 51,6 48,4

Лабораторный эксперимент. В полихлорвиниловые трубы' высотой 15 см и диаметром 10 см отобрали монолиты чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы до глубины 45 см в двух и трех поверхностях соответственно. Колонки медленно насыщали дистиллированной водой от дна к вершине для удаления воздуха ю почвы. Затем га промывали водой до установления стабильной скорости потока. После этого, сверху подавался раствор гербицида (10 мкг/мл) так, чтобы на поверхности почвы всегда был слой рабочего раствора равный 1 см. Вытекающий раствор собирали фракциями по 5 мл через определенный промежуток времени и анализировали на ультрафиолетовом спектрофотометре. Когда в инфильтрате

V „

концентрация гербицида становилась равной содержанию его в поливной воде, раствор заменялся на дистиллированную воду. На

основании полученных данных строились "выходные кривые" -графики зависимости концентрации препаратов в фильтрате от времени с начала эксперимента. Для удобства сравнения процессов в почвах с различными водно-физическими свойствами выходные кривые построены в безразмерных параметрах. Безразмерная концентрация находится делением текущего ее значения на концентрацию в подающемся растворе, то есть С/Со. Безразмерное время Т (такты) получают делением объема элюата на общий объем пор в исследуемых почвенных монолитах.

Полевой эксперимент. Полевые опыты проводились в Воронежской и Московской областях. Делянки площадью 20 м^ обработали пиююрамом и дикамбой в дозе 2,0 кг/га по дл. Образцы почвы отбирали буром по слоям высотой 5 см до глубины 20 см, далее по 10 см методом "конверта" ,(из пяти индивидуальных составляли один смешанный образец, в котором анализировали содержание гербицидов). Повторность опытов трехкратная. Каждая делянка ' оборудовалась скважиной для нейтронной влагометрии. Режимные измерения влажности почвы по слоям делались, дважды в сутки. На черноземе типичном было задано 2 варианта поливов, имитирующих малоинтенсивные и традиционные технологии орошения. В первом

V

варианте поливы назначались через день нормой, равной расходу воды на эвапотранспирацию. Во втором варианте площадки поливались раз в 8 суток объемом, равным сумме поливных норм на первой серии площадок за этот период (300 м%а). В том случае, когда осадки опережали полив, поливная норма уменьшалась на вешчину осадков. Для контроля имелись делянки, обработанные гербицидом, на богаре. Все делянки располагались под чистым паром.

Аналитические методы. Определение процентного содержания углерода в почве проводили методом Тюрина в модификации

Никитина (Орлов, Гришина, 1981), рН - потенциометрическим методом на иономере И-135 (Физико-химические методы исследования почв, 1980). Определение гербицидов в почве и в почвенном растворе проводили с использованием метода ГЖХ и ультрафиолетовой спектрофотометрии, соответственно.

Математические модели. По выходным кривым, полученным в лабораторных опытах, с помощью математической модели CFITIM (van Genuchteii, 1981) рассчитывали гидрохимические параметры. В последующем эти параметры использовались в качестве экспериментального обеспечения тестируемых моделей. На полевом материале мы апробировали модели CMLS (Nofziger.Hornsby, 1987) и AQUASALT (Губер, 1994).

Критерии оценки прогнозных моделей. Оценка моделей основывалась на графическом анализе и объектных функциях, которые дают количественную меру соответствия между прогнозными и измеренными величинами. Были использованы следующие обгектные функции (Diskin, Simon, 1977; Loague et ai., 1988): корень средней квадратической ошибки имитации модели (RMSE)

RMSE = 1/4 4 £ (Mu - Pt)2 (1) 4

ч

нормализованная объектная функция (NOF) "" RMSE

. NOF= Mti (2).

— | nt i m где Mti = ir-gM* (3)

M - измерягмая величина, P - прогнозное значение, nt - количество пробоотборов, nr- число измеренных значений.

' РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Профильное распределение гербицидов в почвах. Полевые опыты 1991-93 г.г. показали, что максимальное содержание пиклорама и дикамбы находится в первом от поверхности (5 см) слое почвы практически для всех сроков пробоотбора (рис.2,3).

Миграция пиклорама в черноземе типичном в условиях орошаемого и богарного земледелия. Несмотря на существенные различия в объеме воды, попавшей на орошаемые и богарные площадки - более, чем в 3 раза за первые 50 суток эксперимента, характер профильного распределения концентраций пиклорама схож на. всех делянках, за исключением микроколичеста гербицида, проникших на глубину 40 см на поливных участках (рис.2). Богара * .Полив через сутки Полив 1 раз в 5 суток

0 40 Т- ,см О '

15

0

0

40

с,а

Т~

0,6

20 0

20 0

7

] 21 сутки 0

0

2. СМ

40

С А

0,8'

т

0,7

■г 20й

47

20

20

40

Г

0,5 0,4

20

36 суток о 20

51 сутки о 20 40

20 Г

Г

0,3 0,2

Рисунок 2. Миграция пиклорама в черноземе типичном (Воронежская область, начало эксперимента 12.06.91 г.).

Дикамба

Пшслорам

О 20 40 С,%

г,см ' К с?ток

О

20

40

0,4 0,2

0,2 0,2

О 10

20

40

0,2 0,2

20

40

-60

20 С,% 0 10 20 С,% 23 суток п -,1

^ о р42г1

- _ 20

40 60

64 суток О 20 40

60 ^

Рисунок 3. Миграция дикамбы и пгаслорама в дерново-подзолистой почве (Московская область, начало эксперимента 20.05.93 г.)

Дикамба

Г

о

2 ,см О

20

40

60 О

20

40

60 О

20

40 60

Рисунок 3. Окончание

10 с.%

84 суток

124 суток

357 суток

Птслорам О

2 ,см О ■—

20

40

60 О

20

40

60 О

20 40 60

10 С ,56 118.2

Очевидно, во время орошения возникал быстрый неоднородный поток воды, который двигался по макропорам в обход почвенных структурных, элементов, содержащих в себе основную массу агрохимиката.

Миграция пиклорама и дикамбы в дерново-подзолистой почве. Лето 1992 года в Подмосковье было аномально сухим. Поэтому миграция гербищщов была незначительной, глубже 10 см проникло около 4% от внесенной дозы. 1993 год был средним по количеству выпавших осадков. Через 4 месяца после внесения гербицидов они .проникли на глубину 70-80 см, однако пик их концентрации удерживался все это время в верхнем (5 см) слое почвы (рис.3). Очевидно, что здесь, как и в варианте с черноземом, мы имеем дело с транзитным потоком, который не может существенно повлиять на миграцию гербицидов, находящихся внутри почвенных структурных элементов.

Деградация гербицидов в полевых условиях. Для описания динамики разложения гербицвдов в почвах, было использовано уравнение кинетики 1-го порядка:

С = Со ехр (4и), ~ (4)

где Со - исходное содержание гербицида (мкг/кг); С - содержание гербицида в почве в момент времени I (мкг/кг); к - константа скорости разложения гербицида (суг'.).

Основные характеристики процесса разложения гербицидов в почвах представлены в таблице 2. Анализируя динамику разложения пиклорама в почвах можно отметить, что в черноземе он деградировал быстрее, чем в дерново-подзолистой почве, а на орошаемых делянках лучше, чем на богаре. В сухой год он был более персистентный, чем во влажный год. Это согласуется с данными

?

Таблица 2

Основные характеристики процесса разложения пиклорама и дикамбы в почвах в полевых экспериментах

Гербицид Тип почзы Год, вариант опыта t50, сут. 10"3 сут."1

Пиклорам Чернозем 1991

типичный богара 90 7,21 + 2,14

палив через

, сутки 64 9,24 ± 2,25

полив 1 раз

в 8 суток 59 9,19 ± 2,93

Пиклорам Дерново-под- 1992 130 5,47 ± 1,03

золистая

почва 1993 94 6,73 + 2,37

Дикамба Дерново-под- 1992 31 13,51 ± 3,11

золистая

почва 1993 23 18,72 ± 4,05

Ла,- критерий Стьюдекта для уровня значимости и. = 0,05; ■ Э- стандартное отклонение; п - число измерений.

Спиридонова и др. (1977) и объясняется тем, что увеличение влажности, и содержание гумуса в почве ускоряют процесс разложения пиклорама. Для дикамбы отмечается та же закономерность. Деградирует она гораздо быстрее, чем шшгорам.

Рассчитанные по полевым данным значения периодов полуразложения (150) и константы скорости разложения (к) (табл.2) были использованы в прогнозных математических моделях миграции гербицидов в почвах.

Гидрохимические параметры для гербицидов. Основными гидрохимическими параметрами являются: коэффициент

гидродинамической дисперсии (или основная его составляющая.- шаг смешения), коэффициент распределения, соотношение проточной и застойной зон порового пространства, коэффициент массообмена между ними. Эти параметры входят в модели различной сложности для описания процессов переноса сорбирующихся и несорбирующихся веществ (Пачепский, 1990; 1992; van Genuchten. 1981). Как правило, дня определения этих параметров используются данные о выходных кривых в фильтрационных экспериментах.

Полученные в лабораторных опытах выходные кривые имеют явно несимметричную форму, характерную для объектов с гетерогенным поровым пространством (рис.4).

Модель CFITIM. Для определения указанных выше гидрохимических параметров мы использовали математическую модель CFITIM (van Genuchten, 1981), которая рассчитывает эти параметры по выходным кривым методом наименьших квадратов. Мы выбрали две подмодели CFITIM: первая (А) основана на уравнении конвектнвно-дисперсионного переноса (КДП) с линейной равновесной" адсорбцией, а вторая (В) - на КДП с застойной зоной, кинетическим массообменом и адсорбцией. Обе модели адекватно описали экспериментальные данные (рис.4), однако разница в полученных параметрах оказалась значительной (табл.3).

■ !

Шаг смешения ( X , см), не зависящий от скорости течения раствора параметр, был рассчитан на основе коэффициента гидродинамической дисперсии. Шаг смешения, полученный по модели CFITIM-A, слабо варьирует по профилю чернозема и очень сильно -до 10 ООО раз по профилю дерново-подзолистой почвы. Коэффициент распределения гербицидов между твердой и жидкой фазой почвы по этой модели получился отрицательным, что физически невозможно. Следовательно, модель конвектнвно-дисперсионного переноса без

на ненарушенных образцах слоев 0-15 см (а, б) чернозема типичного (точка 1) н 15-30 см (и,г) дериово-нолэолнстой почвы (точка 1), рассчитанные с помощью модели СПТ1М-А (а,в) и СРГПМ-В (б,г).

Таблица 3

Некоторые гидрохимические параметры, полученные при трассировке почвенных колонок гербицидами (модель СПТ1М-В)

Слой, см Шаг смешения \ , см Шаг смешения \ , см Коэффициент распределения к, мл/г Коэффициент - массообмена , 1/суг.

Чернозем типичный, точка 1, пиклорам

0-15 9,53 3,65 3,157 3,071 '

15-30 5,80 3,95 0,401 0,107

30-45 7,74 6,39 0,361 0,133

Дерново-подзолистая почва, точка 1, пиклорам

0-15 44,39 35,53 (0,120) 0,063

15-30 118,85 48,28*103 (0,078) 0,050

30-45 91,30 17,72х10+ (0,023) 0,029

Дерново-подзолистая почва, точка 1, дикамба

0-15 27,30 21,18 (0,034) 0,093

15-30 87,73 76,09*10* (0,022) 0,046

30-45 48,05 28,69 (0,007) 0,012

X*- шаг смешения рассчитан по модели СРГПМ-А, (.....) - заданный коэффициент распределения

учета разделения порового пространства не подходит для расчета гидрохимических параметров в структурных почвах.

Шаг смешения, рассчитанный по модели CFITIM-B, варьирует гораздо слабее по профилю дерново-подзолистой почвы, чем в первом случае. Величины коэффициента распределения гапелорама в черноземе типичном согласуются с литературными данными (Матвеев, 1982). Для дерново-подзолистой почвы этот коэффициент получился отрицательным, поэтому был задан заранее по данным Матвеева (1982), МурреяиХолла (1989). Таким образом, модель КДП с учетом проточных и застойных зон дает более физически обоснованные величины параметров. Результаты моделирования лабораторных экспериментов подтвердили наше предположение о наличии сквозного потока,- сделанное на основании изучения профильного распределения концентраций гербицидов в почвах в . полевых условиях.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ ГЕРБИЦИДОВ В ПОЧВАХ •

Для прогнозирования миграции гербицидов в почвах в полевых условиях мы выбрали 2 математические модели: CMLS и AQU AS ALT.

Модель CMLS. Модель CMLS (миграция химиката в почленных слоях) была разработана учеными из Флоридского университета 1 (США) Нофзигером и Хорнсби в 1987 году. Эта модель оценивает глубину пика концентрации пестицида в почве как функцию от времени, прошедшего после обработки поля. Она учитывает влияние свойств почвы, агрохимюсатов, метеоусловий на миграцию веществ по профилю. Верификацию модели мы провели по своим полевым материалам и по данным Колупаевой (1993), полученным при изучении миграции хлорсульфурона в дерново-подзолистой почве,

обработанной различными дозами извести. В модели CMLS в качестве входного параметра применяется коэффициент распределения гербицида в почве, нормированный по содержанию Органического углерода. Мы рассчитали этот показатель по своим материалам и по данным Матвеева (1982), определившего коэффициент распределения пиклорама для 5-ти типов почв, и получили среднее значение. Для дикамбы мы использовали величину, имеющуюся в банке данных модели. Период полуразложения гербицидов в почвах мы определили по полевым материалам. Учитывая, что глубина пика концентрации гербицидов в почвах в наших экспериментах практически не менялась, мы использовали другой показатель - глубину центра массы препарата в почве (Pennell et al., 1990). Эта величина указывает на положение границы раздела почвенного профиля, выше и ниже которой находится одинаковое количество гербицида. Формулы расчета этого параметра мы не обнаружили, поэтому предлагаем свою (см.методическиё рекомендации).

Сопоставление экспериментальных и прогнозных значений глубины центра массы гербицидов показывает, что предсказанные величины всегда больше полученных в опыте. В таблице 4 представлены объектные функции, рассчитанные по результатам моделирования^ Нормализованная объектная функция (NOF) показывает в долях от единицы отклонения модельных значений от полевых. Для таких моделей считается удовлетворительным, когда NOF ^ 0,50 или 50% (Pennell et al., 1990). Наихудший прогноз получился для хлорсульфурона. Это связано с необратимой сорбцией '

гербицида, которая не учитывается моделью. Для пиклорама и

дикамбы самые большие отклонения расчетных значений глубины

- ч _

центра массы от экспериментальных отмечаются в последний срок пробоотбора - после весеннего снеготаяния. Поэтому, для

оптимизации модельных прогнозов мы решили исключить из рассмотрения 'данные последнего пробоотбора и ограничиться первыми 120 сутками эксперимента. Таким образом, мы получили более адекватный прогноз (табл.4)..

Таблица 4

Объектные функции, рассчитанные по результатам моделирования перемещения Шубины цевтрг массы гербицидов в почвах (модель СМЦЗ)

Почва, гербицид, год

ЯМБЕ, см

ЫОР

ЯМЭЕ*, см

ЫОР'

1. Чернозем типичный, пиклорам 1991 - 92 г.г.

а), богара 4,72

б), полив через сутки 5,13

в), полив 1 раз в 8 суток 7,41

2. Дерново-подзолистая почва, пиклорам

а). 1992 - 93 г.г. 8,80"

б). 1993-94 Г.г. 11,34

3. Дерново-подзолистая почва, дикамба

а). 1992 -93 г.г. 12,02

б). 1993 - 94 г.г. 13,41

4. Дерново-подзопистая почва, хпорсульфурон, 1991 год"* •

а). рН вод = 5,4 10,39

б). рН вод = 8,3 37,60

0,82 0,65 1,09

1,09 0,56

2,03 0,83

2,89 5,45

1,60 2,72 6,31

2,63 5,44

2,82 4,90

0,30 0,38 1,02

0,52 0,39

0,57 0,40

*) за первые 120 суток эксперимента;

**) по данным Колупаевой (1993).

Однако эта процедура не улучшила моделирование миграции

пиклорама в черноземе типичном на площадке .с редким поливом. Это

связано с тем, 1гго модель СМЬБ не учитывает структурную неоднородность порового пространства рассматриваемых почв. Наличие в этих почвах макропор позволяет инфильтрационной воде двигаться преимущественно по ним. А пестицид, находящийся в микропорах оказывается исключенным из этого потока. Поэтому, когда на поверхность почвы попадает большой объем воды: при весеннем снеготаянии, при крупных поливах и интенсивных осадках, прогнозная величина глубины центра массы гербицида намного превышает реальные значения. Завышенные значения МОР* для пиклорама и дикамбы объясняется тем, что лето 1992 года было аномально сухим и, вероятно, происходило перемещение гербицидов не только вниз, но и вверх по профилю почвы, что не учитывается моделью.

Таким образом, принимая во внимание простоту модели СМЬБ и доступность входных параметров, данную модель молено рекомендовать для оценочных прогнозов перемещения глубины центра массы сбратимосорбируемых гербицидов в структурных почвах для периодов, когда нет интенсивного инфильтрацибнного стока.

Модель АОЦАЗАЬТ. Чтобы уточнить прогнозы и получить распределение концентраций гербицида по профилю почвы, мы использовали более сложную модель конвективно-дисперсионного переноса (АСЭиАЗАЬТ), учитывающую в большей степени реальные процессы. Модель была разработана на кафедре физики и мелиорации почв МГУ в 1994 году. Она основана на уравнении КДП с линейной равновесной адсорбцией. Модель АС-иАБАЬТ отличается от СМЬБ в следующих положениях: 1) учитывается гидродинамическая дисперсия пестицида в почве; 2) дается прогноз распределения препарата в

почвенном профиле; 3) перемещение гербицида может происходить не только вниз, но и.вверх.

В дополнение к входной информации используемой моделью СМЬБ, модель АС^иАБАЬТ использует данные по динамике влажности почвы, коэффициент гидродинамической дисперсии гербицидов (или шаг смешения), константы скорости разложения препаратов в почве.

4 Используя гидрохимические параметры, полученные в лабораторном эксперименте, мы не смогли добиться совпадения расчетных и экспериментальных данных. Поэтому, следующим этапом в апробации модели явился подбор параметров, при которых модель адекватно отражает реальную послойную динамику концентраций гербицидов в почвах (рис.5). Полученные величины гидрохимических параметров представлены в таблицей.

Таблица 5

Гидрохимические параметры, рассчитанные по полевым данным миграции пиклорама в черноземе типичном (модель АОиАЗАЬТ)

Слой Шаг смешения Коэффициент

распределения

см X , см К, мл/г

0-10 400 (200 - 500) 85(65-95)

10-20 383 (150 - 500) 15

20-30 350 (50 - 500) 10 ,

30-40 83 (50 -100) 1

40-50 10 1

(........) - пределы варьирования параметров дня разных режимов

орошения делянок и для богары.

Шаг смешения оказался больше в 10-100 раз для пахотного слоя

почвы, чем в лабораторном опыте. Аналогичные результаты-получили

в черноземе типичном в условиях орошаемого (а) полив 1 раз в 8 суток, (б) полив через сутки и (в) богарного земледелия (модель АС}иАБАЬТ). Слои: -о- 0-5 см; -я- 5-10 см; -О- 10-15 см; -а- 15-20 см.

Гарднер и Брукс (1957), Вайлд и Мазахери (1980), Чехова (1994), но при изучении передвижения солей, а не гербицидов, как в наших исследованиях.

Коэффициент распределения препаратов в пахотном слое почвы также получился на 1-2 порядка выше;, чем в лабораторном опыте. Это очевидно связано с гетерогенностью порового пространства изучаемых почв, что не учитывается данной моделью. Следовательно дня получения реальных значений коэффициента распределения необходимо усовершенствовать модель AQUASALT. Она должна

учитывать разделение порового пространства на проточную и

>

застойную зону.

Таким образом, предположение сделанное нами о наличии сквозного потока в изучаемых "птах почв было подтверждено результатами моделирования полевых и лабораторных экспериментов. Этот механизм является ведущим в процессе миграции гербицидов в структурных почвах.

-ВЫВОДЫ ...

1. В полевых условиях определены показатели миграции гербицидов пшслорама и дикамбы в дерново-подзолистой почве и черноземе типичном. Наибольшее содержание гербицидов обнаружено в верхнем 5-сантиметровом слое почвы практически во все сроки наблюдении. Максимальная глубина проникновения дикамбы и гшклорама в дерново-подзолистой почье - 70 и 80 см соответственно, пиюторама в черноземе - 50 см. Влияние орошения практически не сказалось на характере профильного распределения концентраций пшслорама в черноземе типичном.

2. Константы скорости разложения пшслорама в дерново- • подзолистой почве и черноземе типичном равны 0,005 - 0,007 сут.-' и 0,007. - 0,009 .сут.-' соответственно, дикамбы в дерново-подзолистой

почве - 0,014 - 0,019 сут.-', и зависят от влажности почвы и содержания гумуса.

3. В лабораторных колоночных эксперимента определены гидрохимические параметры переноса гербицидов в почвах (коэффициент гидродинамической дисперсии, шаг смешения, коэффициент распределения, коэффициент массообмена). Для расчетов использовали две модели СБШМ: первая основана на уравнении конвективно-дисперсионного переноса (КДП) с линейной равновесной адсорбцией, а вторая - на КДП с застойной зоной, кинетическим массообменом и адсорбцией. С помощью второй модели, количественно учитывающей наличие проточных и застойных зон, мы получили более физически обоснованные величины параметров, чем при использовании традиционной модели.

4. Колоночные эксперименты не являются надежным методом определения гидрохимических параметров переноса гербицидов в почвах для целей прогнозного моделирования. Полученные параметры могут служить лишь исходной количественной информацией для экспериментального обеспечения моделей массопереноса,

5. Шаг смешения К, полученный при моделировании полевого эксперимента превышает в 10 - 100 раз величины \, полученные по данным лабораторного фильтрационного опыта.

6. Полевые исследования показали существенно неравномерное распределение гербицвдов по почвенному профилю, которое может быть объяснено существованием функционально различных групп пор и наличием сквозного потока по макропорам.

7. Гербициды пиклорам и днкамба, несмотря на их хорошую миграционную способность, не представляют опасности для

загрязнения грунтовых вод в . рассматриваемых условиях, при собдадении регламентов применения.

8. Модель СМЦЗ можно: рекомендовать для оценочных прогнозов перемещения глубины центра массы обратимосорбируемых гербицидов в структурных почвах для периодов, когда нет .интенсивного инфильтрационного стока.

9. Модель конвективно-дисперсионного переноса гербицидов в структурных почвах в полевых условиях А<ЗиА8А1Л\ не учитывающая наличие проточных и застойных зон, адекватно описывает миграцию агрохимжеатов только при завышении коэффициента распределения на 1-2 порядка.

10. Применение прогнозных математических моделей массопереноса может быть • надежным лишь при наличии гидрохимических параметров, полученных на основании полевого эксперимента по изучению послойных динамик гербицидов. и влажностей почвы.

Методические рекомендации пользователю модели СМЬБ при прогнозе миграции пестицидов в структурных почвах ^ •

1. В случае структурных почв модель рассчитывает не глубину пика концентрации пестицида, а глубину центра массы агрохимиката. Для расчета этого параметра предлагается следующее уравнение:

п к 0,5^.ст-Цопц к .

—-2-+ 21гт.

скн • п к если 0,5 - 21

п " •

2с= °.5ЦС!Ш-, /С, ,

Л? к если 0,5 2_С!т1 - 21 сдасО;

■ где с; - концентрация препарата в 1-ом слое почвы (мкг/см3); гп; - мощность ¡-го слоя почвы (см); п - номер слоя почвы, где обнаружен гербицид: к - всегда меньше п и растет, до тех пор пока не выполнится

условие:

п к

0^0,5]Гс|ГП|-11сдо| < с«+|т*+| 1 <

2. Модель годится лишь для периодов, когда нет интенсивного инфильтрационного стока, в связи с тем, что она не учитывает сквозного потока по транспортным порам.

3. Данную модель не рекомендуется использовать при прогнозе миграции необратимосорбируемых пестицидов.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы: *

1. Миграция и сорбция пиклорама в черноземе типичном в условиях орошаемого земледелия. Тезисы.докладов Всероссийского-научного симпозиума "Мониторинг загрязнения почв ксенобиотиками и адсорбционные методы детоксикации". Краснодар, 1993, с.76-77 (с соавторами).

2. Оценка опасности загрязнения грунтовых вод гербицидами. Тезисы докладов координационного совещания Российосой академии сельскохозяйственных наук "Совершенствование контроля фитосанитарного состояния сельскохозяйственных культур с целью предотвращения вспышек массового развития болезней, вредителей и сорняков". Москва, 1994, с.263-265 (с соавторами).

3. Определение дикамбы в почве. "Химия в сельском хозяйстве" (в печати) (с соавторами).