Исследование динамики запасов продуктивной влаги в почвенном профиле и плотности дерново-подзолистых супесчаных почв. Определение концентрации и содержания мобильных форм радионуклидов в почве. Факторы, влияющие на интенсивность перехода цезия в растения.
Аннотация к работе
Принимая во внимание значительный объем экспериментальных данных по рассматриваемой проблеме, следует отметить, что по настоящее время до конца не выявлена связь агрофизических свойств почв с переходом радионуклидов в растения. Наблюдается как увеличение подвижности 137Cs в почве и поступления его в растения с повышением содержания влаги в почве [4], так и отсутствие такого влияния [5]. Регулируя плотность пахотного горизонта, можно сохранять влагу в почве или увеличивать ее расход испарением [9]. Диапазон водно-физических свойств почв создавали посредством применения различающейся по способу и приему механической обработки почв. Наблюдения за влажностью и плотностью почвы проводили в динамике: до посева культур (1-я декада апреля); в период вегетации культур (в начале фазы выхода в трубку); перед уборкой культур.Проведенные исследования показали, что поступление 137Cs из почвы в растения зависит от запасов продуктивной влаги и плотности пахотного горизонта дерново-подзолистых супесчаных почв в течение всего вегетационного периода.
Введение
Результатом аварии на Чернобыльской АЭС стало крупномасштабное загрязнение сельскохозяйственных земель Республики Беларусь долгоживущими радионуклидами (137Cs и 90Sr). Этот факт определил необходимость ведения агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения в течение длительного периода. На сегодняшний день в Беларуси в сельскохозяйственном пользовании находится более 1 млн. гектаров земель, загрязненных 137Cs с плотностью 37 КБК/м2 и выше. В связи с этим особое внимание должно уделяться тем факторам, которые обуславливают биологическую доступность радионуклидов.
Почва является начальным звеном экологического цикла поступления радионуклидов из внешней среды в организм человека. В результате перемещения в почве и последующего корневого поглощения радиоактивные вещества поступают в части растений, представляющие пищевую или кормовую ценность. Установлено, что интенсивность перехода радионуклидов в системе почва-растение определяется их концентрацией и содержанием мобильных форм в почвенном профиле, физиологическими особенностями растений, генезисом и свойствами почв, технологией возделывания сельскохозяйственных культур [1-3].
Принимая во внимание значительный объем экспериментальных данных по рассматриваемой проблеме, следует отметить, что по настоящее время до конца не выявлена связь агрофизических свойств почв с переходом радионуклидов в растения.
Цель работы - изучить динамику запасов доступной растениям продуктивной влаги в почвенном профиле и плотности дерново-подзолистых супесчаных почв разной гидроморфности и установить их взаимосвязь с параметрами перехода 137Cs в сельскохозяйственные культуры.
Анализ источников
Режим увлажнения и физические свойства почвы, такие как плотность, структурность, являются важнейшими показателями почвенного плодородия, определяющими рост и развитие растений и в конечном счете их продуктивность. Влияние режима увлажнения на переход радионуклидов в растение неоднозначно. Наблюдается как увеличение подвижности 137Cs в почве и поступления его в растения с повышением содержания влаги в почве [4], так и отсутствие такого влияния [5]. Имеются данные о снижении концентрации 137Cs в зерновых и крупяных культурах с увеличением увлажненности вегетационного периода и запасов влаги в метровом слое почвы [6]. Установлено также [7], что биологическая доступность 137Cs возрастает как при переувлажнении почв, так и в засушливых условиях. Минимальная концентрация радионуклида отмечается при оптимальной влажности. По мнению И.В. Гулякина и др. [8], колебание содержания 137 Cs в растениях опосредовано влиянием влажности на урожайность культур.
Значительное воздействие на плотность почвы и количество в ней продуктивной влаги, а следовательно, на рост и развитие растений оказывает механическая обработка почвы. Регулируя плотность пахотного горизонта, можно сохранять влагу в почве или увеличивать ее расход испарением [9]. При этом следует отметить, что данных о влиянии этих показателей на поступление 137Cs в растения в научной литературе не встречается.
Методы исследования
Исследования проводили в 2007-2009 гг. в полевом опытном стационаре на территории землепользования СПК «Зарянский» Славгородского района Могилевской области. Объектом исследований являлись дерново-подзолистые супесчаные автоморфная и глееватая почвы на водно-ледниковых рыхлых супесях, подстилаемых песками с глубины 0,3 м. Поверхностная активность 137Cs составляла: в автоморфной почве - 525 КБК/м2 (14 Ки/км2), в глееватой - 474 КБК/м2 (13 Ки/км2).
Диапазон водно-физических свойств почв создавали посредством применения различающейся по способу и приему механической обработки почв.
Наблюдения за влажностью и плотностью почвы проводили в динамике: до посева культур (1-я декада апреля); в период вегетации культур (в начале фазы выхода в трубку); перед уборкой культур.
Удельную активность 137Cs в почвенных пробах определяли на ?-?-спектрометре МКС-АТ1315, в растительных - на ?-спектрометрических комплексах «Tennelec», «Canberra». Для количественной оценки поступления 137Cs из почвы в растения рассчитывали коэффициент пропорциональности (перехода) Kn [10]. Полученные данные обрабатывали методами корреляционного и регрессионного анализов.
Основная часть
Вегетационные периоды, в течение которых проводились наши исследования, значительно различались количеством выпавших атмосферных осадков: 2007 г. был умеренно влажным, 2008 г. и 2009 г. были избыточно влажными. Возделываемые культуры также различались величиной накопления 137Cs. В связи с этим рассматриваемые в опыте показатели были оценены нами по усредненным за годы эксперимента значениям по каждой повторности опыта.
Почвенная влага имеет важнейшее значение для роста и развития растений. Особый интерес представляют запасы продуктивной влаги в пахотном горизонте почвы, поскольку в нем расположена основная масса корневой системы растений и он является ведущим поставщиком как весенних запасов влаги, так и влаги осадков, выпадающих в течение вегетационного периода. От того, насколько обеспечен влагой пахотный горизонт, зависит интенсивность поступления в растения элементов питания, а вместе с ними и радионуклидов.
Ближайшим резервом доступной для растений влаги, особенно в засушливые периоды, служит влага, находящаяся в подпахотных слоях. Установлено, что основной расход влаги на транспирацию растениями и поверхностное испарение происходит из слоя почвы 0-50 см [11].
Наблюдения за динамикой влаги в изучаемых почвах показали, что дерново-подзолистая автоморфная почва характеризовалась более низким содержанием влаги по сравнению с глееватой. Так, запас продуктивной влаги в течение вегетационного периода в слое 0-20 см автоморфной почвы находился в интервале 11-39 мм, в слое 0-50 см - 30-89 мм, а в этих же слоях глееватой почвы - 19-49 и 45-128 мм соответственно. Максимальное содержание влаги в обеих почвах отмечалось весной перед посевом культур, минимальное - перед уборкой культур (табл. 1). В среднем за вегетационные периоды запас продуктивной влаги в слое 0-20 см автоморфной почвы составил 24 мм, в слое 0-50 см - 55 мм, а в этих же слоях глееватой почвы - 35 и 88 мм соответственно. Плотность почвы имеет большое значение для растений. Наибольшая продуктивность растений достигается при оптимальной величине плотности пахотного горизонта, которая зависит от типа и гранулометрического состава почв. Для большинства культур сплошного сева оптимальная плотность почвы составляет 1,1-1,3 г/см3 [12]. Относительно благоприятным для роста и развития зерновых культур диапазоном значений плотности дерново-подзолистой супесчаной почвы является от 1,20 до 1,35 г/см3 [9]. При такой плотности обеспечиваются наилучшие условия для поглощения атмосферных осадков, газообмена, жизнедеятельности почвенной флоры и фауны.
Таблица 1
Запасы продуктивной влаги в почвах, мм
Почва Слой почвы, см Период наблюдений В среднем за вегетационный период перед посевом фаза выхода в трубку перед уборкой
НСР05 для средних значений: слой почвы 0-20 см слой почвы 0-50 см 1,2 6,4 2,2 6,7 1,6 3,2 0,7 3,7
Примечание. Над чертой - минимальное и максимальное значения, под чертой - среднее значение.
В наших исследованиях средние значения плотности пахотного горизонта автоморфной и глееватой почв были близкими. Различия составляли 0,01-0,03 г/см3. Однако максимальные частные значения плотности были характерны для автоморфной почвы (табл. 2).
Таблица 2
Плотность пахотного горизонта почв (средние значения за годы исследований), г/см3
Почва Период наблюдения В среднем за период вегетации перед посевом фаза выхода в трубку перед уборкой
Примечание. Над чертой - минимальное и максимальное значения, под чертой - среднее значение.
Наименьшая плотность почв наблюдалась перед посевом культур (1,26-1,28 г/см3), несколько увеличивалась к середине вегетации растений (1,29-1,31 г/см3) и достигала максимального значения к уборке культур (1,30-1,33 г/см3).
Коэффициенты перехода 137Cs в зерно возделываемых культур также значительно варьировали - от 0,016 на глееватой почве до 0,037 на автоморфной.
Таким образом, в наших исследованиях возделываемые культуры произрастали при значительно варьирующих водно-физических свойствах почв, что дало возможность посредством корреляционно-регрессионного анализа выявить зависимости между этими показателями и параметрами перехода 137Cs из почвы в зерно возделываемых зерновых культур.
В результате статистической обработки полученных сопряженных данных были рассчитаны корреляционные зависимости и построены уравнения регрессии. Взаимодействия между показателями наиболее тесно описывались квадратичными уравнениями. Заметная связь (значения R2 - 0,5-0,7) значений коэффициента перехода 137Cs с запасами продуктивной влаги в слое почвы 0-20 см установлена во время активной вегетации сельскохозяйственных культур (фаза выхода в трубку растений) и перед уборкой культур. В этих случаях коэффициент детерминации (R2) составил 0,53 и 0,56 соответственно. Связь запасов продуктивной влаги в слое 0-50 см с Кп имела заметную степень выраженности только перед уборкой культуры (R2 = 0,68) (табл. 3).
Таблица 3
Зависимости между запасами продуктивной влаги в почвах и Кп 137Cs в растениях
Срок определения запасов влаги в почве R2, (p<0,05; n = 32) Уравнение регрессии Значения запасов влаги с наименьшим Кп, мм
Запасы продуктивной влаги в слое почвы 0-20 см
Перед посевом культур 0,39 у = 0,0536-0,0015x 1,6068E-5x2 40-54
Фаза выхода в трубку 0,53 y = 0,0553-0,0018x 2,2895E-5x2 35-44
Перед уборкой культур 0,56 y = 0,0685-0,004x 8,2159E-5x2 22-27
Запасы продуктивной влаги в слое почвы 0-50 см
Перед посевом культур 0,48 y = 0,0582-0,0007x 3,3948E-6x2 93-113
Фаза выхода в трубку 0,45 y = 0,0502-0,0006*x 3,0876E-6x2 86-109
Перед уборкой культур 0,68 y = 0,0791-0,0021x 1,8206E-5x2 51-64
Умеренная связь (значения R2 - 0,3-0,5) параметров перехода 137Cs в продукцию с запасами продуктивной влаги в слое почвы 0-20 см выявлена перед посевом культур (R2 = 0,39), с запасами влаги в слое почвы 0-50 см - перед посевом (R2 = 0,48) и в фазу выхода растений в трубку (R2 = 0,45).
По нашему мнению, увеличение влияния влаги на переход радионуклида в зерно от весеннего периода наблюдений к уборке культуры объясняется изменениями характера питания растений. В период активной вегетации испытывают наибольшую потребность в почвенной влаге. В этот период интенсивно поглощаются элементы минерального питания, а вместе с ними и радионуклиды. В фазе налива и созревания зерна в растениях происходит перераспределение питательных веществ, которое также зависит от наличия в почве влаги.
Полученные по экспериментальным данным уравнения регрессии позволяют рассчитать те значения запасов доступной растениям влаги, которым соответствует минимальное поступление 137Cs в растения с вероятностью, сопоставимой с величиной коэффициента детерминации в каждом рассматриваемом случае. Наименьшие значения Кп 137Cs в зерно отмечалось при запасах доступной растениям влаги в пахотном горизонте перед посевом 40-54 мм, в период активной вегетации растений - 35-44 мм, перед уборкой культур - 22-27 мм, в слое почвы 0-50 см - 93-113, 86-109 и 51-64 мм соответственно. При отклонении от этих значений в сторону увеличения или уменьшения наблюдался рост перехода 137Cs в продукцию.
На рис. 1 и 2 приведены зависимости между запасами продуктивной влаги в слоях почвы 0-20 и 0-50 см и коэффициентами перехода 137Cs в продукцию возделываемых культур в среднем за вегетационный период. Варьирование значений коэффициента перехода 137Cs в растения от содержания продуктивной влаги в слое почвы 0-20 см составило 53%, а от содержания влаги в слое 0-50 см - 54%.
Рис. 1. Зависимость между запасами продуктивной влаги в слое почвы 0-20 см и коэффициентами перехода 137Cs в продукцию возделываемых культур влага почва радионуклид растение
Рис. 2. Зависимость между запасами продуктивной влаги в слое почвы 0-50 см и коэффициентами перехода 137Cs в продукцию возделываемых культур
Минимальные значения перехода 137Cs в растения по средним за сезон данным соответствовали интервалу запасов продуктивной влаги в пахотном горизонте 31-35 мм, в толще почвы 0-50 см - 80-89 мм.
В результате проведенного корреляционно-регрессионного анализа установлены зависимости между плотностью почвы и параметрами перехода 137Cs в продукцию возделываемых культур.
Как и в случае с запасами влаги, зависимости между данными показателями наиболее точно описывались квадратичными уравнениями.
Зависимость поступления 137Cs в растения с плотностью почвы, которую определяли до посева культур, была несущественной (R2 = 0,06). Умеренная связь перехода 137Cs в продукцию получена с плотностью почвы в период активной вегетации культур (R2 = 0,47).
Перед уборкой культур связь величины перехода 137Cs в зерно с плотностью пахотного горизонта почв возросла до заметной - коэффициент детерминации составил 0,64 (табл. 4).
Таблица 4
Зависимости между плотностью почвы и Кп 137Cs в зерно
Срок определения плотности почвы R2, (p<0,05; n=32) Уравнение регрессии Значения плотности с наименьшим Кп, г/см3
Перед посевом культур 0,06* y = -0,0282x2 0,0885x - 0,0444 -
Фаза выхода в трубку 0,47 y = 0,5971x2 - 1,506x 0,9697 1,24-1,28
Перед уборкой культур 0,64 y = 0,7972x2 - 2,0188x 1,2971 1,25-1,29
Примечание. Значения R2 при p>0,05.
Величины плотности пахотного горизонта почв с минимальным накоплением Cs137 в растениях находились в следующих диапазонах: в середине вегетации растений - 1,26-1,28 г/см3, перед уборкой культур - 1,24-1,28 г/см3, в среднем за вегетационный период - 1,25-1,29 г/см3 (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость между плотностью пахотного горизонта почвы и коэффициентами перехода 137Cs в продукцию возделываемых культур
Характерно, что данные значения входят в интервал оптимальной плотности пахотного горизонта дерново-подзолистых супесчаных почв для возделывания зерновых культур - 1,20-1,35 г/см3. Следовательно, минимальный переход 137Cs в растения наблюдается при оптимальной для данной культуры плотности почвы, что согласуется с существующим положением о минимальных переходах радионуклидов при оптимальных для роста и развития растений параметрах плодородия почв [13, 14].
В наших исследованиях запасы продуктивной влаги в почвенных слоях и плотность пахотного горизонта - это показатели, характеризующие почвенные условия единовременно. Поэтому представляет интерес степень совместного влияния данных показателей на биологическую доступность 137Cs. Результат множественного корреляционно-регрессионного анализа средних за сезон значений выявил высокую степень зависимости Кп137Cs от комбинированного действия плотности пахотного горизонта и запасов влаги как в слое почвы 0-20 см, так и в слое 0-50 см. В обоих случаях коэффициент детерминации составил 0,71. Графическое изображение зависимости Кп137Cs в зерно от совместного действия плотности почвы и запасов продуктивной влаги в слое 0-20 см представлено на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость коэффициентов перехода 137Cs в зерно от совместного действия плотности пахотного горизонта почвы и запасов продуктивной влаги в слое 0-20 см
Анализируя поверхность регрессии, можно отметить существующие зоны комбинированного влияния водно-физических свойств пахотного горизонта почвы, где наблюдаются минимальные и максимальные переходы радионуклида в зерно.
Наиболее интенсивное увеличение коэффициентов перехода 137Cs в растения наблюдается при пониженной влажности и повышенной плотности почв. Это дает основание полагать, что в этом случае в пахотном горизонте складываются условия, специфичность которых позволяет 137Cs в больших количествах накапливаться растениями.
Вывод
Проведенные исследования показали, что поступление 137Cs из почвы в растения зависит от запасов продуктивной влаги и плотности пахотного горизонта дерново-подзолистых супесчаных почв в течение всего вегетационного периода. Минимальное накопление 137Cs в растениях наблюдается при оптимальных параметрах плотности дерново-подзолистых супесчаных почв - 1,24-1,28 г/см3 и запасах продуктивной влаги 30-34 мм в слое почвы 0-20 см и 77-87 мм - в слое почвы 0-50 см. Отклонение от этих значений в сторону уменьшения или увеличения усиливает переход 137Cs в растения.
Список литературы
1. Сельскохозяйственная радиоэкология / Р.М. Алексахин [и др.]; под ред. Р.М. Алексахина, Н.А. Корнеева. - М.: Экология, 1992. - 400 с.
2. Моисеев, И.Т. Изучение поведения 137Cs в почвах и его поступления в сельскохозяйственные культуры в зависимости от различных факторов / И.Т. Моисеев, Г.И. Агапкина, Л.А. Рерих // Агрохимия. - 1994. - №2. - С. 103-118.
3. Шмигельская, И.Д. Загрязнение многолетних злаковых трав цезия-137 и стронцием-90 в зависимости от типов и свойств почв / И.Д. Шмигельская, И.А. Ефимова, Т.В. Арастович // Почвенные исследования и применение удобрений: сб. науч. тр. / БЕЛНИИПА. - 2002. - Вып. 26. - С. 270-269.
4. Шмигельская, И.Д. Накопление радионуклидов растениями в зависимости от направленности процессов почвообразования и степени гидроморфизма / И.Д. Шмигельская, В.Ю. Агеец // Почвы, их эволюция, охрана и повышение производительной способности в современных социально-экономических условиях: материалы I съезда Белорус. общества почвоведов / Академия аграр. наук. Белорус. науч.-исслед. ин-т почвоведения и агрохимии. - Минск; Гомель, 1995. - С. 272.
5. Влияние режима увлажнения на подвижность радионуклидов в почвах аварийной зоны ЧАЭС / Л.Н. Михайловская [и др.] // Экология. - 1992. - №2. - С. 76-79.
6. Рерих, Л.А. Влияние основных агрометеорологических факторов на поступление радиоцезия в растения / Л.А. Рерих, И.Т. Моисеев // Агрохимия. - 1989. - №10. - С. 96-99.
8. Влияние влажности почвы на поступление стронция-90 и цезия-137 в растения / И.В. Гулякин [и др.] // Агрохимия. - 1976. - №2. - С. 102-107.
9. Земледелие: учебник для студентов агрономических специальностей учреждений, обеспечивающих получение высшего с.-х. образования / В.В. Ермоленков [и др.]; под ред. В.В. Ермоленкова, В.Н. Прокоповича. - Минск: ИВЦ Минфина, 2006. - 463 с.
10. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий: методическое руководство. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. - 784 с.
11. Вередченко, Ю.П. Агрофизическая характеристика почв центральной части Краснодарского края. - М.: Академии наук СССР, 1961. - 176 с.
12. Кирюшин, В.И. Экологические основы земледелия / В.И Кирюшин. - М.: Колос, 1996. - 367 с.
13. Поступление l37Cs в урожай сельскохозяйственных культур из почв различной степени окультуренности / В.К. Кузнецов [и др.] // Агрохимия. - 2000. - №3. - С. 64-68.
14. Почвенное плодородие и радионуклиды / Г.Т. Воробьев [и др.]. - М.: НИА-Природа, 2002. - 357 с.