Влияние степени гидроморфности и систем основной обработки дерново-подзолистой супесчаной почвы на содержание в ней форм 137Cs

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние степени гидроморфности и систем основной обработки дерново-подзолистой супесчаной почвы на содержание в ней форм 137Cs

Н.Н. Цыбулько, А.В. Ермоленко, С.С. Лазаревич

(Поступила в редакцию 13.09.10)

В дерново-подзолистых супесчаных почвах с плотностью загрязнения 137Cs 13-15 Ки/км2 содержание доступных растениям форм (водорастворимая, обменная, подвижная) составляет в среднем 9-11%, недоступных (необменная, фиксированная) - 89-91%. Установлено, что с увеличением степени гидроморфности дерново-подзолистой супесчаной почвы повышается содержание доступных форм нуклида в верхнем ее слое. Безотвальная чизельная и минимальная обработки почвы способствуют снижению доступных соединений 137Cs в почве на 3-4%.

почва гидроморфность дерновый супесчаный

In sward-podzolic sandy loams with the density of contamination by 137Cs of 13-15 Ci/km2, the content of forms available for plants (water-soluble, exchangeable, mobile) makes up on average 9-11%, of non-available (non-exchangeable, fixed) - 89-91%. We have established that an increase in the degree of hydro-morphism of sward-podzolic sandy loam leads to the increase in the content of available forms of nuclide in the upper layer of soil. Non-moldboard chisel and minimal cultivation of soil help to reduce the amount of 137Cs compounds available in soil by 3-4%.

Введение

В настоящее время в Республике Беларусь сельскохозяйственное производство ведется на 1010,3 тыс. гектаров земель, загрязненных 137Cs с плотностью 37 кБк/м2 и выше. Вследствие малой скорости вертикальной миграции [13] большая часть выпавшего в результате аварии на ЧАЭС долгоживущего радионуклида 137Cs по-прежнему сосредоточена в зоне расположения основной массы корней и еще в течение многих лет будет определять радиоактивное загрязнение сельскохозяйственной продукции и продуктов питания. Растения усваивают вещества, находящиеся в доступных для них формах, поэтому изучение количественного состояния форм 137Cs в почвах и их перераспределение при ведении сельскохозяйственного производства имеет большое научно-практическое значение.

Цель исследований - изучить влияние степени гидроморфности, способов и приемов основной обработки почвы на содержание форм 137Cs в дерново-подзолистых супесчаных почвах.

Анализ источников

Формы нахождения в почве радионуклидов и их биологическая доступность обусловлены физико-химическими свойствами почвы. В разной степени доступными растениям принято считать три формы нахождения радионуклидов в почве [6]: водорастворимая (извлекаемая дистиллированной водой), обменная (извлекаемая 1 м раствором уксуснокислого аммония) и необменная подвижная (извлекаемая 1 м раствором соляной кислоты). Необменная неподвижная (фиксированная) форма радионуклида (извлекаемая 6 м раствором соляной кислоты) считается недоступной для растений. Сюда могут включаться также соединения, входящие в состав топливных частиц и нерастворимых радионуклидорганических комплексов [19]. Между формами радионуклидов в почве существует динамическое равновесие, в результате которого ионы, находящиеся в труднорастворимом состоянии, под воздействием почвенно-климатических факторов и проведения агромероприятий могут переходить в неподвижные формы, и наоборот [5, 9, 11].

Подвижность радионуклида в почве определяется во многом генетическими свойствами самой почвы. Фиксация обусловлена взаимодействием ионов цезия с кристаллической решеткой глинистых минералов, поэтому важное значение играет минералогический и гранулометрический состав почв, структура глинистых минералов, степень увлажнения почвы [17].

Попадая в почву, 137Cs в результате физико-химических процессов активно фиксируется почвенными частицами. Происходит как ионообменное связывание 137Cs, так и его необменная сорбция (фиксация) твердой фазой почвы. В результате этого за послеаварийный период формы 137Cs в почвах подверглись значительной трансформации: содержание доступных для растений водорастворимых и обменных форм снизилось, малодоступных фиксированных форм увеличилось [3, 18].

В настоящее время доля прочно фиксированного 137Cs в почвах колеблется от 75 до 95%. В дерново-подзолистых суглинистых почвах доступные формы не превышают 5%, в супесчаных и песчаных почвах - 10-20%. [14, с. 15]. В исследованиях некоторых авторов выявлена положительная корреляционная зависимость между поступлением 137Cs в растения и содержанием доступных форм соединений 137Cs в почвах [16, 20].

Влияние режима увлажнения почв на переход радионуклидов в растение неоднозначное. Результаты научных исследований показывают как увеличение подвижности в почве и перехода 137Cs в растения с повышением содержания влаги в почве, так и отсутствие влияния [8, 9]. Есть данные и о снижении поступления 137Cs в зерновые и крупяные культуры с увеличением суммы осадков за вегетационный период и запасов влаги в метровом слое почвы [15].

Определенное влияние гидроморфности почвы на биологическую доступность радионуклидов связывают с формами нахождения их в почве и прочностью связи с минеральными и органическими коллоидами [2]. Есть данные, что с увеличением степени гидроморфности почв (от автоморфных к гидроморфным) содержание доступных форм 137Cs увеличивается [1].

Механическая обработка является одним из наиболее энергоемких, интенсивно воздействующих на почву технологических приемов в системе земледелия, оказывающая значительное влияние на ее агрофизические показатели. Исследованиями установлено некоторое влияние основной обработки почвы на накопление 137Сs сельскохозяйственными культурами [4, 7]. Между тем в научной литературе отсутствуют данные о влиянии системы основной обработки почвы на содержание в ней форм 137Сs.

Таким образом, анализ источников литературы показывает, что часть 137Сs, находящегося в почве, доступна растениям. Его количество как от свойств самой почвы, климатических условий и технологии возделывания сельскохозяйственных культур. Нет единого мнения о влиянии режима увлажнения почв на подвижность 137Сs. Отсутствуют данные о воздействии систем основной обработки почвы на содержание в ней форм 137Сs. Все вышеизложенное подтверждает необходимость исследований в данном направлении.

Методы исследования

Исследования проводили в 2007-2008 гг. в полевом опытном стационаре на территории землепользования СПК «Зарянский» Славгородского района Могилевской области. Объектами исследований являлись дерново-подзолистые супесчаные автоморфная и глееватая (полугидроморфная) почвы на водноледниковых рыхлых супесях.

Агрохимические показатели почв:

дерново-подзолистая супесчаная автоморфная почва: рНКСl 5,93; содержание гумуса - 2,1%; Р2О5 - 218 мг/кг; К2О - 173 мг/кг почвы; плотность загрязнения 137Cs - 537 кБк/м2;

дерново-подзолистая супесчаная глееватая почва: рНКСl 6,3; содержание гумуса - 2,3%; Р2О5 - 117 мг/кг; К2О - 210 мг/кг почвы; плотность загрязнения 137Cs - 492 кБк/м2.

В звене зернотравяного севооборота при возделывании овса и зернобобовой смеси изучали следующие системы основной обработки почвы: I - отвальная вспашка на глубину 20-22 см (контроль); II - безотвальная чизельная обработка на глубину 20-22 см; III - поверхностная дисковая обработка на глубину 10-12 см; IV - минимальная обработка на глубину 10-12 см с применением посевного агрегата Rabe Mega Seed 6002 К2. Агрохимические показатели почв определяли по стандартным методикам. Удельную активность 137Cs в почвенных образцах определяли на г-в спектрометре МКС-АТ1315. Формы 137Cs в почве исследовали методом последовательного экстрагирования при соотношении почва: экстрагент 1:5 [10, с. 56; 12, с. 21]. Отбор почвенных образцов для анализа форм производили в четырехкратной повторности.

Полученные данные обрабатывали статистическими методами дисперсионного анализа с использованием стандартного компьютерного программного обеспечения (Excel 7.0).

Основная часть

Для количественной оценки поступления радионуклидов в растения важно знать природу закрепления радиоактивных элементов в почве и выделить ту долю радионуклидов, которая способна активно участвовать в геохимических и биологических процессах и, следовательно, может поглощаться растениями. Наибольший практический интерес представляют водорастворимая и обменная формы, поскольку они в первую очередь поглощаются растениями и определяют загрязнение продукции. Ближний резерв 137Cs, потенциально доступного для растений при определенных условиях, составляет необменная подвижная форма. Необменная неподвижная форма вместе с остаточным количеством радионуклида составляет недоступную растениям часть 137Cs.

Результаты наших исследований по определению форм 137Cs методом последовательных экстракций в почвенных образцах за 2007-2008 гг. показали, что в дерново-подзолистых супесчаных почвах с плотностью загрязнения 137Cs 13,3-14,5 Ки/км2 большая часть находящегося в пахотном горизонте радионуклида находится в прочнофиксированной форме. В водную вытяжку переходило в среднем по двум почвам от 0,7 до 1,1% радионуклида от общего содержания его в почве. Как правило, это растворимые комплексные соединения радиоцезия, находящиеся с компонентами почвы в нейтральной и (или) анионной форме, а также катионы нуклида, десорбирующиеся из почвы по механизму ионного обмена [10, 12]. В ацетатаммонийную вытяжку (1 м СН3СООNН4) поступало 4,9-5,1% соединений 137Cs. Это в основном соединения, сорбированные в почвенно-поглощающем комплексе по механизму ионного обмена - обменная форма. Слабым раствором соляной кислоты (1 м HCl) извлекалось 3,5-4,7% от общего содержания радиоцезия. Это формы 137Cs, связанные с оксидами железа и алюминия, находящиеся в почве в необменном состоянии, то есть формы, которые не переходят в почвенный раствор в обычных условиях (необменная подвижная форма) [10; 12, с. 21]. Содержание фиксированного (неподвижного) 137Cs в почвах составило 89,5-90,5%.

Соотношение форм 137Cs, извлеченных разными экстрагентами из почв разной степени гидроморфности представлены на рис.

Рис. 1. Содержание форм 137Cs в почвах разной степени гидроморфности, % от общего содержания в почве

A - водорастворимая, B - обменная, C - подвижная, D - фиксированная.

Дерново-подзолистая супесчаная автоморфная почва характеризовалась несколько большим содержанием водорастворимых форм и меньшим содержанием подвижных форм радиоцезия по сравнению с полугидроморфной (глееватой) почвой. Количество обменных форм в обеих почвах практически не различалось.

В составе доступных растениям соединений наибольший удельный вес занимают обменные формы нуклида - 4,9% на автоморфной почве и 5,1% на глееватой, несколько меньше подвижные - 3,5 и 4,7% и незначительную долю водорастворимые формы - 1,1 и 0,7% соответственно.

Результаты изучения влияния способов и приемов основной обработки почвы на содержание в ней форм 137Cs представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Влияние обработки почвы на содержание в ней форм 137Cs, в среднем за 2007-2008 гг.

При проведении отвальной вспашки (контроль) на автоморфной почве содержание водорастворимых форм 137Cs составляло 1,0%. В варианте с поверхностной дисковой обработкой содержание в почве водорастворимых и обменных форм 137Cs было больше, чем в контроле, и составило 1,6% (НСР05=04). Отмечено существенное снижение по сравнению с вспашкой процента обменных и подвижных форм в вариантах с безотвальной чизельной и минимальной обработками. Так, снижение обменных форм составило: по безотвальной чизельной обработке - 2,3%, по минимальной - 1,7% при НСР05=0,7; подвижных форм - 1,9% и 1,2% соответственно (НСР05=0,7).

Полугидроморфная глееватая почва по вариантам обработки характеризовалась относительно равномерным содержанием доступных форм 137Cs в пахотном горизонте, все различия находились в пределах ошибки опыта. Наблюдалось лишь незначительное увеличение процента обменных форм радионуклида относительно отвальной вспашки в варианте с минимальной обработкой почвы.

В табл. 2 приведены данные содержания доступных растениям форм 137Cs в исследуемых почвах в зависимости от их основной обработки. Наиболее контрастно различия по содержанию 137Cs по вариантам обработки почв проявились на автоморфной почве, где процент доступного радиоцезия колебался от 6,9 до 11,6%, в полугидроморфной - в пределах 9,9-11,3%.

Процентное содержание подвижных форм 137Cs в варианте с отвальной вспашкой на автоморфной почве в среднем по двум годам исследований составило 11,2%. При применении поверхностной дисковой обработки подвижных форм выявлено 11,6%. Снижение доступных форм 137Cs относительно вспашки произошло в вариантах с безотвальной чизельной и минимальной обработками, где содержание подвижных форм 137Cs в среднем по двум годам исследований составило соответственно 6,9% и 8,4% при НСР=1,2. На глееватой почве существенных различий по изучаемому признаку между обработками почвы не установлено.

Таблица 2 - Содержание доступных растениям форм 137Cs в автоморфной и полугидроморфной (глееватой) почвах в зависимости от их основной обработки, % от общего содержания в почве.

Степень гидроморфности дерново-подзолистых супесчаных почв оказывала существенное влияние на содержание доступных форм 137Cs (сумма водорастворимой, обменной и подвижной форм) в пахотном слое. Так, количество доступных форм в автоморфной почве составило 9,5%, что было значительно меньше, чем в глееватой - 10,5% при НСР05=0,6. Данные результаты согласуются с результатами других авторов [1, 9].

Количество доступных форм радиоцезия по каждой из обработок также зависело от степени гидроморфности почв. Если по отвальной вспашке процент доступных растениям форм на разных почвах существенно не отличался, то безотвальная чизельная и минимальная обработки характеризовались меньшим содержанием доступных форм на автоморфной почве и большим на глееватой. В отношении поверхностной дисковой обработки наблюдалась противоположная тенденция.

В среднем по двум почвам за годы исследований существенно меньшим содержанием доступных форм 137Cs в пахотном горизонте по сравнению с контролем характеризовался вариант с безотвальной чизельной обработкой почвы - 8,8%, в контроле - 10,7% (НСР05=0,8). Несколько меньше, чем при применении отвальной вспашки, было доступных форм радиоцезия в почвах в варианте с минимальной обработкой. Процент доступных форм 137Cs в почве с поверхностной дисковой обработкой статистически не отличался от контроля.

Согласно результатам двухфакторного дисперсионного анализа отношение дисперсии количества доступных форм 137Cs, обусловленной влиянием обработки почвы, к общей дисперсии составило 21%. Влияние показателя степени увлажнения почв на количество доступных форм радиоцезия было ниже - 8%.

Заключение

За прошедший длительный послеаварийный период определенная часть 137Cs по-прежнему находится в доступных для растений химических формах. В дерново-подзолистых супесчаных почвах с плотностью загрязнения радиоцезием 13-15 Ки/км2 содержание доступных растениям форм (водорастворимая, обменная, подвижная) составляет в среднем 9-11%, недоступных (необменная, фиксированная) - 89-91%.

Степень гидроморфности дерново-подзолистой супесчаной почвы с переходом от автоморфной к глееватой достоверно увеличивает содержание доступных форм нуклида в верхнем ее слое. Применение безотвальной чизельной и минимальной обработки на дерново-подзолистой автоморфной почве способствует снижению доступных соединений 137Cs в почве на 3-4%. Максимальное количество доступных форм радиоцезия фиксируется по поверхностной дисковой обработке. На дерново-подзолистой полугидроморфной почве варианты обработки почвы не оказывают существенного влияния на содержание доступных форм 137Cs в пахотном горизонте.

Литература

1. Агеец, В.Ю. Накопление радионуклидов цезия-137 и стронция-90 сельскохозяйственными культурами в зависимости от свойств почв / В.Ю. Агеец // Почвоведение и агрохимия: сб. науч. тр. / Белорус, науч.-исслед. ин-т почвоведения и агрохимии. Минск. 1996. Вып. 29. С. 249-258.

2. Агеец, В.Ю. Система радиоэкологических контрмер в агросфере Беларуси / В.Ю. Агеец // Республиканское научно-исследовательское унитарное предприятие «Институт радиологии». Минск, 2001. 250 с.

3. Подоляк, А.Г. Влияние параметров вертикальной миграции и форм нахождения радионуклидов в почве на их биологическую доступность (на примере естественных суходольных лугов Белорусского Полесья) / А.Г. Подоляк [и др.] // Проблемы радиологии загрязненных территорий: юбилейный тематический сборник / Республиканское научно-исследовательское унитарное предприятие «Институт радиологии»; редкол.: В.Ю. Агеец [и др.]. Минск, 2001. С. 36-45.

4. Жигарева, Т.Л. Влияние технологических приемов возделывания сельскохозяйственных культур на накопление 137Сs в урожае / Т.Л. Жигарева [и др.] // Агрохимия. 2003. №10. С. 67-74.

5. Моисеев, И.Т. Влияние свойств почв и времени инкубации 137Cs на динамику его форм и доступность растениям / И.Т. Моисеев [и др.] // Агрохимия. 1982. №8. С. 109-113.

6. Лазаревич, Н.В. Поведение техногенных радионуклидов в системе почва - растение: лекция / Н.В. Лазаревич, Г.А. Чернуха. Горки: БГСХА, 2007. 39 с.

7. Лазаревич, С.С. Радиологические аспекты выбора системы обработки дерново-подзолистых супесчаных почв разной степени увлажнения на загрязненных 137Сs землях могилевской области / С.С. Лазаревич, А.В. Ермоленко, Т.П. Шапшеева. Вестник БГСХА. 2010. №2. С. 93-99.

8. Михайловская, Л.Н. Влияние режима увлажнения на подвижность радионуклидов в почвах аварийной зоны ЧАЭС / Л.Н. Михайловская, Е.Н. Караева, И.В. Молчанова // Экология. 1992. №2. С. 76-79.

9. Новикова, Н.Я. Особенности поведения цезия-137 в системе почва - пищевые продукты на территории Белорусского Полесья: автореф. дис. ... канд. биол. наук: 03.00.01 / Н.Я. Новикова; МГУ им. М.В. Ломоносова. М., 1975. 29 с.

10. Павлоцкая, Ф.И. Миграция радиоактивных продуктов глобальных выпадений в почвах /Ф.И. Павлоцкая. М.: Атомиздат, 1974. 215 с.

11. Павлоцкая, Ф.И. Формы нахождения и миграции искусственных радионуклидов в природной среде / Ф.И. Павлоцкая // 1 Всесоюз. радиобиол. съезд: тез. докл., Пущино, 21-27 авг. 1989 г. / Акад. наук СССР. Пущино, 1989. Т. 2. С. 493-494.

12. Поведение радионуклидов в природных и полуприродных экосистемах: заключительный отчет / под ред. М. Белли, Ф. Тихомирова. Люксембург: Комиссия Европейских сообществ, 1996. 112 с.

13. Кудельский, А.В. Радиоизотопы чернобыльских выпадений - оценка почвенной миграции и потенциальных угроз качеству подземных вод Беларуси / А.В. Кудельский [и др.] // Літасфера. 2007. №1. С. 149-151.

14. Аверин, В.С. Радиоэкологические последствия чернобыльской аварии / В.С. Аверин [и др.] // 20 лет после чернобыльской катастрофы: последствия в Республике Беларусь и их преодоление: нац. доклад / под ред. В.Е. Шевчука, В.Л. Гурачевского. Минск: Комитет по проблемам преодоления последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС при Совете Министров Республики Беларусь, 2006. 112 с.

15. Рерих, Л.А. Влияние основных агрометеорологических факторов на поступление радиоцезия в растения / Л.А. Рерих, И.Т. Моисеев // Агрохимия. 1989. №10. С. 96-99.

16. Рерих, Л.А. Связь между формами нахождения радионуклидов в почвах и поступления его в сельскохозяйственные растения / Л.А. Рерих, И.Т. Моисеев // Агрохимия. 1989. №8. С. 96-104.

17. Сельскохозяйственная радиоэкология / Р.М. Алексахин, А.В. Васильев, В.Г. Дикарев [и др.]; под ред. Р.М. Алексахина, Н.А. Корнеева. М.: Экология, 1992. 400 с.

18. Суркова, Л.В. Состояние и формы нахождения цезия-137 в почвах различных зон аварийного выброса ЧАЭС / Л.В. Суркова, Р.Н. Погодин // Агрохимия. 1991. №4. C. 84-86.

19. Бобовникова, Ц.П. Химические формы нахождения долгоживущих радионуклидов и их трансформация в почвах зоны аварии на ЧАЭС / Ц.П. Бобовникова [и др.] // Почвоведение. 1990. №10. С. 20-25.

20. Юдинцева, Е.В. Поступление в растения стронция-90 и цезия-137 в зависимости от сорбции их механическими фракциями почв / Е.В. Юдинцева, И.В. Гулякин, 3.М. Фоломкина // Агрохимия. 1970. №2. С. 30-39.

Размещено на Allbest.ru