Regularities of migration 137Cs in the alluvial soil

В работе исследуется влияние радиоактивного распада, фильтрации воды во время паводка, биовыноса на процесс миграции 137Cs в корнеобитаемом слое аллювиальной почвы естественного луга, а также при поверхностном и коренном его улучшении.

В настоящее время известны закономерности движения и распределения макроэлементов в почве при отсутствии растительного покрова. В работе (Волобуев, 1975) описаны две закономер- ности миграции солей в почве, которые были получены на основе обобщения и анализа многочисленных данных экспериментальнополевых и лабораторных опытов по промывкам засоленных почв.

Первая закономерность связывает массу солей со временем в процессах засоления – рассоления почв и имеет следующий вид:

St = S0exp(± βt), (1)

где t – время, необходимое для изменения содержания солей в почве от начального значения S 0 до значения S t , β – постоянная для определенных условий протекания процесса миграции, знаки “±” относятся соответственно к процессам засоления и рассоления почвы.

Вторая закономерность связывает массу солей с пространством, в котором протекает процесс рассоления почвы и имеет вид:

h = μ lg(Si/S0), (2)

где h – толщина почвы, разделенная на i слоев, S i – запас солей в слоях i = 0 – h , S 0 – запас солей в поверхностном слое, μ – параметр, характеризующий фильтрационную способность и степень дренированности почвогрунта. Величина h зависит от количества профильтровавшейся влаги ( Q ). Поэтому значение μ определяется по графику функции lg(S i /S 0 ) = f(Q) , который имеет линейный прямопропорциональный вид. Параметры β и μ представляют собой постоянные для конкретной почвы величины, поскольку величины S 0 , S t , S i , S h имеют конечное значение (Волобуев, 1975) . В работе (Борздыко, 2000) впервые было показано, что уравнение (2) соблюдается также при описании распределения активности ¹³⁷Cs по глубине почвы при отсутствии растительного покрова.

В работах (Пакшина, 1985; 1989) дано теоретическое обоснование зависимостей (1), (2). Для этого была построена модель, включающая не только диффузионные и конвективные потоки ионов по порам почвы вдоль движения раствора, но и диффузионный поток ионов в электростатическом поле вокруг заряженных стенок пор, направленный перпендикулярно стенкам пор, который описывает ионный обмен на почвенно-поглотительном комплексе (ППК). При решении уравнения для случаев нисходящего (Пакшина, 1985) и восходящего (Пакшина, 1989) потоков ионов было получено следующее выражение:

C t = C 0 exp(- λυ t) ,       (3)

где C 0 , C t – соответственно начальная и конечная концентрация ионов в почве, t – время, необходимое для снижения содержания иона от C 0 до C t , υ – скорость потока, λ – параметр массопереноса для определенных условий протекания процесса.

Получена связь между параметрами в, Ц, и Х, которая опре- деляется следующими соотношениями:

в = Хи ,       ц = 1/ Х .         (4)

Модель позволила расшифровать содержание параметра λ и выразить его в виде формулы, включающей только физические величины:

Х = 1,840 3 ^ЕКО^Ре J^^ /S-T,

где ЕКО - емкость катионного обмена, мг-экв/100 г почвы, S -удельная поверхность почвы, м2/г, Т - абсолютная температура почвы, Ре - параметр Пекле, равный D/ur. D - коэффициент диф- фузии иона, υ – скорость потока раствора, r – радиус пор, Z1, Z2 – валентность аниона и катиона соли (Пакшина, 1985; 1989).

Учитывая уравнение (1) в работе (Пакшина, 1994) , была выведена формула, связывающая плотность загрязнения почвы ¹³⁷Cs со временем, которая изменяется под действием процессов радиоактивного распада, фильтрации воды через почву, биовыноса, и имеет следующий вид:

А к = А о ( e ^-Alt — e ^-X2Qt - п е ^-Л з ^£вЕ т ).         (6)

Где, первый, второй и третий члены относятся к радиоактивному распаду, фильтрации воды и биовыносу; Xi, Х2, X - постоянная радиоактивного распада, параметры массопереноса ионов при фильтрации влаги и биовыноса радионуклида корневой системой растений; Q, ЕвЕт - количество профильтровавшейся через почву влаги и транспирация соответственно. Ао, Ак - начальная и конечная плотность загрязнения слоя почвы, Aoe—^lt —, оставшееся плотность загрязнения слоя после радиоактивного распада 137Cs за период t, Aoe-X2Qt — вынос 137Cs при фильтрации воды, Аопе-ЛзЕвЕт — биовынос доступного растениям 137Cs, n-доля доступного 137Cs от общей активности.

Модель (6) описывает миграцию 137Cs из определенного слоя почвы тремя механизмами массопереноса во времени.

Целью данной работы является исследование применимости формулы (6) к процессу миграции 137Cs в корнеобитаемом слое при наличии растительного покрова многолетних трав, выращиваемых в затопляемой паводковыми водами пойме.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследование закономерностей миграции 137Cs в корнеобитаемом слое многолетних трав проводили на луговом участке центральной поймы реки Ипуть (Новозыбковский район, Брянская область) в течение 14 лет (1994–2007 гг.).

Почва опытного участка представлена аллювиальной луговой, маломощной, среднегумусной, песчаной на супесчаном аллювии и имеет следующее строение профиля: Ah (0–4), A (4–18), B 1 (18–40), B g (40–60), C g (60–90).

Агрохимические свойства почвы в период проведения опытов колебались в следующих интервалах значений: pH KCl – 5.2– 5.43; гидролитическая кислотность – 2.78–2.43 мг-экв/100г почвы; сумма поглощенных оснований – 10.1–12.24 мг-экв/100г почвы; содержание гумуса – 3.11–3.21 % (по Тюрину); содержание подвижного фосфора и обменного калия соответственно 121–135 и 50–69 мг/кг (по Кирсанову).

Плотность загрязнения опытного участка в среднем составила 1221–1554 кБк/м2. Длительность затопления опытного участка во время весеннего паводка составляла 20–22 дня.

Объектами исследований служили естественный травостой и сеяная мятликовая травосмесь при обработке поймы дискованием и двухъярусной вспашкой. Злаковая травосмесь имела следующий состав: овсяница луговая (Festuca pratensis Huds.), тимофеевка луговая (Phleum pratense L.), кострец безостый (Bromopsis inermis Holub.), двукисточник тростниковидный (Phalaris arundinacea L.), лисохвост луговой (Alopecurus pratensis L.).

На каждом фоне обработки поймы и естественном травостое использовали 5 вариантов внесения удобрения: 1 – Контроль, 2 – N 120 P 90 K 120 , 3 – N 120 P 90 K 240 , 4 – N 180 P 120 K 180 , 5 – N 180 P 120 K 360 .

Азотные (аммиачная селитра) и калийные (хлористый калий) удобрения вносили в два приема: половина расчетной дозы – под первый укос, вторая половина – под второй укос. Фосфорные удобрения (простой гранулированный суперфосфат) вносили в один прием весной.

Площадь посевной делянки составляла 63 м2, уборочной – 24 м2; повторность опыта была трехкратной. Урожайность многолетних трав учитывали методом сплошной поделяночной уборки и отбора пробного снопа. В год проводили два укоса (первый – с 01 по 10 июня, второй – с 23 по 30 августа). Удельную активность 137Cs в образцах почвы и растений измеряли на универсальном спектрометрическом комплексе Гамма Плюс (НПП “Доза”, Россия), ошибка измерений не превышала 10 %.

В год закладки опыта (1994) и в 2007 г. были отобраны образцы из каждого слоя почвы, равного 5 см, до глубины, равной 60 см, на определение плотности загрязнения ¹³⁷Cs (Харкевич, 2011) .

Транспирацию посевов рассчитывали по формуле (Пенман, 1972) , испаряемость – по формуле Иванова (Иванов, 1954) , радиоактивный распад ¹³⁷Cs – по формуле Резерфорда (1903). Для расчета параметра биовыноса λ 3 использовалось уравнение, выведенное из данных полевых опытов, которое имеет следующий вид:

Ln(Ak / Ai) = λΣвЕт, (7)

где Ak , Ai – соответственно удельная активность ¹³⁷Cs на контроле и на варианте i (Пакшина и др., 2017) . Для расчета параметра мас-сопереноса ¹³⁷Cs в почве при фильтрации воды использовалось уравнение (5), где ЕКО = 15.3 мэкв/100г почвы, S = 31.3 м²/г, Т = 279.6 К, Ре = 0.4 (естественный травостой), Ре = 0.35 (дискование), Ре = 0.25 (двухъярусная вспашка). При фильтрации воды из почвы выносятся не только доступные корневой системе растений формы ¹³⁷Cs, но и коллоидные частицы, содержащие труднорастворимые соединения ¹³⁷Cs (Сковородникова, 2005) . При расчетах биовыноса ¹³⁷Cs учитывалось, что активность водорастворимой и обменной форм ¹³⁷Cs в оглеенных почвах составляет 5 % от общей активности ¹³⁷Cs (Сковородникова, 2005) .

Для расчета испаряемости, дефицита атмосферной влаги, фильтрации влаги из слоя почвы, равного 60 см, использовали данные метеостанции “Красная гора”, наиболее близко расположенной к месту проведения опытов.

Каждый год (с 1994 по 2007) был разделен на три периода, включающего месяцы: I–IV, V–IX, X–XII. В каждый период года подсчитывали среднемесячную сумму осадков, испаряемости и дефицита атмосферной влаги. Дефицит атмосферной влаги в течение 14 лет наблюдали только в V–IX месяцы, который составил 1075 мм воды. Сумма выпавших осадков за 14 лет составила 7197 мм воды, испаряемость – 6163 мм, коэффициент увлажнения (КУ) – 1.17, который характеризует промывной тип водного режима почвы. Фильтрация паводковых вод по данным Брянскгипровод-хоза составляет 26 % от общей суммы осадков за год, которая составила 134 мм в рассматриваемый период (1994–2007 гг.). Скорость фильтрации паводковых вод составила 0.8 × 10-7м/с, что свидетельствует о высокой водопроницаемости.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В таблице 1 представлены данные урожайности сена (ц/га) и транспирации многолетних трав (мм) в среднем за два укоса и в среднем за периоды вегетации в 1994–2007 гг.

Таблица 1. Урожайность сена и транспирация многолетних трав в среднем за период вегетации 1994–2007 гг.

Table 1. The average hay yield and transpiration of perennial grasses for the growing season from 1994 to 2007

Вариант	Естественный травостой			Сеяный травостой
				дискование			вспашка
	У	∑вЕт	К.т.	У	∑вЕт	К.т.	У	∑вЕт	К.т.
Контроль	23.9	183	766	31.2	239	766	32.9	252	766
N 120 P 90 K 120	104.3	798	765	128.4	982	765	139.6	1068	765
N 120 P 90 K 240	94.7	724	764	118.0	903	765	120.8	924	765
N 180 P 120 K 180	121.5	929	765	140.0	1071	765	141.4	1082	765
N 180 P 120 K 360	107.0	819	765	121.8	932	765	126.0	964	765

Примечание. У – урожайность сена в сумме за два укоса, ц/га; ∑ вЕт – транспирация за вегетационный период, мм; К.т. – транспирационный коэффициент, равный расходу транспирирующей влаги (т) на формирование 1т воздушно-сухой фитомассы.

Установлено, что при внесении полного минерального удобрения урожайность трав зависит не только от соотношения доз калия к азоту, но и дозы фосфора. Увеличение отношения K : N в два раза при равной дозе фосфора вызывает его недостаток, и приводит к снижению транспирации и урожайности (табл.1). Транспирационный коэффициент (К.т.) не зависит от дозы удобрения и способа обработки почвы, на всех вариантах опыта составляет равное значение. Независимость величины К.т. от дозы минерального удобрения было отмечено ранее в работе Шатилова (Шатилов, 1978). Высокие значения К.т. обусловлены использованием грунтовых вод в период вегетации трав при близком их уровне в центральной пойме. В таблице 2 приведены данные плотности загрязнения 137Cs почвы по профилю корнеобитаемого слоя многолетних трав в 1994 г.

Таблица 2. Распределение плотности загрязнения почв ¹³⁷Cs по профилю корнеобитаемого слоя в 1994 г. (в год закладки опыта)

Table 2. The distribution of soil contamination (¹³⁷Cs) density in the root zone profile in 1994 (in the year of trial establishment)

Слой почвы, см Вариант	0–20		21–30		31–40
	Аi	%	Аi	%	Аi	%
Естественный травостой	1 339.0	98.6	14.8	1.1	4.9	0.3
Сеяный травостой (обработка почвы – дискование)	1 311.0	99.0	10.0	0.7	3.7	0.3
Сеяный травостой (обработка почвы – двухъярусная вспашка)	1 323.4	95.4	54.7	4.0	8.9	0.6

Примечание. Аi – плотность загрязнения слоя 137Cs, кБк/м2.

По прошествии 8 лет после аварии на ЧАЭС плотность загрязнения 137Cs слоя аллювиальной почвы, равного 0–20 см, на естественном травостое и при проведении поверхностного улучшения (дискование) поймы снизилась только на 1 % от начального загрязнения. После проведения коренного улучшения (двухъярусная вспашка), которое привело к перемешиванию почвы до глубины 45 см, плотность загрязнения 137Cs слоя почвы 0–20 см уменьшилась на 5 %. Выпавший в 1986 г. 137Cs переместился к 1994 г. до глубины 40 см. В таблице 3 представлены данные изменения плотности загрязнения 137Cs корнеобитаемого слоя аллювиальной

Таблица 3. Распределение плотности загрязнения почвы ¹³⁷Cs по профилю корнеобитаемого слоя по вариантам опыта в 2007 г.

Table 3. The distribution of soil contamination (¹³⁷Cs) density in the root zone profile in various tretments (2007)

Слой почвы, см Вариант	0–20		21–30		31–40		41–50		51–60
	Аi	%	Аi	%	Аi	%	Аi	%	Аi	%
Естественный травостой
Контроль	788.8	97.5	18.4	2.1	2.5	0.3	0.5	0.07	0.32	0.06
N 120 P 90 K 120	784.3	92.8	55.2	6.2	6.8	0.7	1.3	0.14	0.48	0.06
N 120 P 90 K 240	805.9	91.3	70.9	7.5	7.6	0.8	2.9	0.3	0.72	0.07
N 180 P 120 K 180	790.4	91.7	56.5	6.2	14.7	1.6	3.9	0.4	0.92	0.1
N 180 P 120 K 360	719.6	86.8	89.7	10.2	20.3	2.1	6.4	0.7	1.52	0.16
Сеяный травостой (обработка почвы – дискование)
Контроль	803.2	96.6	24.0	3.0	1.6	0.2	1.0	0.14	0.48	0.06
N 120 P 90 K 120	666.9	93.1	46.7	6.2	4.2	0.5	1.1	0.15	0.41	0.05
N 120 P 90 K 240	762.6	94.7	33.6	3.9	9.0	1.0	9.2	0.35	0.56	0.05
N 180 P 120 K 180	777.0	97.8	16.9	2.0	1.1	0.1	0.4	0.05	0.32	0.04
N 180 P 120 K 360	631.0	91.5	50.9	6.9	8.1	1.1	2.4	0.3	0.96	0.12
Сеяный т		равостой (обработка почвы – двухъярусная вспашка)
Контроль	414.5	61.7	255.8	36.2	15.1	2.0	0.7	0.07	0.46	0.05
N 120 P 90 K 120	311.1	49.6	278.0	42.3	56.1	7.9	0.9	0.14	0.32	0.06
N 120 P 90 K 240	380.4	60.3	258.6	39.1	2.8	0.4	1.0	0.13	0.56	0.07
N 180 P 120 K 180	492.1	68.6	223.6	29.6	13.4	1.7	0.8	0.08	0.32	0.02
N 180 P 120 K 360	427.3	68.6	200.9	20.8	3.3	0.4	1.0	0.14	0.36	0.06

Примечание. Аi – плотность загрязнения слоя 0–60 см 137Cs ( кБк/м2).

почвы в 2007 г. в зависимости от варианта опыта, заложенного в 1994 г. На контроле в слое аллювиальной почвы, равном 0–20 см, остается около 98 % 137Cs от слоя, равного 0–60 см. Внесение минерального удобрения ускорило процесс десорбции 137Cs из дернины и вынос его из слоя, равного 0–20 см. В этом слое активность 137Cs составила в среднем 91 % от активности слоя 0–60см.

Измельчение дернины при дисковании и оставление ее на поверхности не оказало существенного влияния на вынос 137Cs, по сравнению с естественным травостоем. Активность 137Cs в слое почвы 0–20 см на контроле и с внесением NPK составила соответственно 97 % и 94 % от активности слоя 0–60 см.

Измельчение дернины и перемешивание ее остатков с другими горизонтами при проведении двухъярусной вспашки на глубину 45 см повысило вынос 137Cs из слоя 0–20 см на контроле и вариантах с внесением NPK. Активность 137Cs в этом слое в среднем составила 62 % от активности 137Cs в слое 0–60 см. На всех вариантах при разных обработках почвы 137Cs присутствует в слое 50–60 см, на границе с оглеенной материнской породой Cg (60– 90).

В таблице 4 представлена сравнительная оценка рассчитанных по уравнению (6) значений At (t = 14 лет) с экспериментальными значениями. Экспериментальные значения включали плотность загрязнения слоя почвы 0–60 см в 1994 г. и 2007 г., снижение плотности загрязнения за 14 лет, экспериментальные значения биовыноса фитомассы трав. Биовынос ¹³⁷Cs из почвы определялся путем умножения урожайности сена за 14 лет на удельную активность в нем ¹³⁷Cs. При расчете биовыноса ¹³⁷Cs из почвы фитомассой трав использовал значение λ 3 ΣвЕт , полученное по формуле (7).

Для расчета выноса ¹³⁷Cs из почвы во время паводков находились значения λ 2 по формуле (5) и значение Ре для разных способов обработки почвы. В работе (Pakshina et al., 2018) было показано, что между значениями Ре и относительной транспирацией имеет место линейная обратнопропорциональная зависимость. На рисунке представлены зависимости значений Ре от относительной транспирации трех мятликовых культур. Как следует из рисунка, число Ре уменьшается с увеличением потерь воды из почвы.

Таблица 4. Количественная оценка процессов выноса ¹³⁷Cs из слоя почвы 0–60 см за период с 1994 по 2007 гг. Table 4. Quantitative assessment of ¹³⁷Cs removal from 0–60 cm soil layer for the period from 1994 to 2007

Вариант	1994	2007	Вынос 137Cs Ao-Aк		Процесс выноса 137Cs из почвы, экспериментальные и рассчитанные значения
	Ao	Ak	Экс.	Рас.	Радиоактивный распад		Биовынос		Фильтрация воды
					А 1          1	Ао-Аt	Экс.	Рас.	Экс.	Рас.
Естественный травостой
Контроль	1 359	810	549		985	374	13.2		161
N 120 P 90 K 120		848	511	526			22.1	26	115	128
N 120 P 90 K 240		888	471				5.6	7.2	91
N 180 P 120 K 180		856	503				16.8	17	112
N 180 P 120 K 360		847	512				3.5	4	134
Сеяный травостой (обработка почвы – дискование)
Контроль	1 325	830	495		961	364	13.7		117
N 120 P 90 K 120		719	606	511			20.3	23.8	221	169
N 120 P 90 K 240		809	516				4.2	5.6	147
N 180 P 120 K 180		796	529				9.1	9.8	155
N 180 P 120 K 360		693	632				2.5	3.1	265
Сеяный травостой (обработка почвы – двухъярусная вспашка)
Контроль	1 387	687	700		1006	381	9.1		310
N 120 P 90 K 120		646	741	724			13.2	23.6	347	319
N 120 P 90 K 240		643	744				2.9	6.2	360
N 180 P 120 K 180		730	357				7.4	13.2	269
N 180 P 120 K 360		633	754				1.7	3.4	371

Примечание: А 0 , А к (экс.), А к (рас.) – соответственно начальная (1994 г.) и конечная экспериментальная и рассчитанная по формуле (6) для слоя 0–60 см плотность загрязнения почвы  кБк/м².

При значениях относительной транспирации, равных 2 и 2.5, число Ре соответственно равно 0.4 и 0.25. Испаряемость в апреле во время паводков в среднем за 14 лет составила 53.9 мм. Отсюда Q/ΣЕ 0 = 2.5, здесь Q = 134 мм. При максимальных потерях воды на фильтрацию число Ре составляет 0.25, при минимальных – 0.4.

На рисунке представлена корреляционная зависимость между числом Pe и относительной транспирацией посевов мятликовых трав.

а

1         1,5         2         2,5         3

0         0,5

в

Рисунок. Корреляционная связь между числом Ре потоков почвенной влаги и относительной транспирацией посевов мятликовых трав: а – ежа сборная, б – овсяница луговая, в – двукисточник тростниковидный.

Figure. Correlation communication between Peclet's number of streams of soil moisture and a relative transpiration of crops of bluegrass herbs: а –

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2019. Вып. 97. Dokuchaev Soil Bulletin, 2019, 97

Dactylis glomerata , б – Festuca pratensis , в – Phalaris arundinacea .

Как следует из рисунка, с увеличением расхода почвенной влаги на транспирацию посевов трав или влажностью почвы, увеличивается конвективный поток ионов и снижается число Pe. С уменьшением расхода влаги посевами трав на транспирацию увеличивается диффузионный поток ионов с потоком жидкости и возрастает число Pe.

Как следует из таблицы 4, экспериментальные значения биовыноса 137Cs из почвы фитомассой трав и выноса 137Cs при фильтрации паводковых вод через слой почвы, равный 0–60 см, совпали.

Количественная оценка процессов выноса 137Cs из корнеобитаемого слоя трав за период 1994–2007 гг. выявила, что вклад биовыноса в общий вынос 137Cs невелик и на всех вариантах не превышает 4 %. Минеральные удобрения оказывают существенное влияние на биовынос 137Cs из почвы. Особенно низкий биовынос 137Cs наблюдается при внесении NPK при отношении доз K : N = 2.

Вынос 137Cs при фильтрации воды через слой почвы в несколько раз превышает биовынос. Особенно высокий фильтрационный вынос 137Cs наблюдается при проведении двухъярусной вспашки поймы.

Двухъярусная вспашка, увеличивая пористость и размер пор почвы, скорость потока влаги и уменьшая число Ре, повышает вынос 137Cs в нижние слои почвы во время паводков, по сравнению с дискованием и естественным травостоем в 1.9 и 2.5 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ экспериментально-полевых данных изменения плотности загрязнения 137Cs почвы корнеобитаемого слоя многолетних трав со временем позволяет выявить следующее:

– Убывание плотности активности 137Cs корнеобитаемого слоя зависит от вклада каждого процесса. Вклад радиоактивного распада, инфильтрации воды, биовыноса 137Cs из почвы за 14 лет соответственно составил: 50–79 %; 20–50 %; 0.3–2.2 %.

– Двухъярусная вспашка повышает вынос 137Cs из верхнего слоя почвы, равного 0–60 см, по сравнению с естественным траво- стоем во время поводка и дискованием, соотвественно в 2.5 и 1.9 раза.

– Экспериментально подтверждена формула, связывающая активность ¹³⁷Cs в корнеобитаемом слое со временем, которая имеет следующий вид: At = A0(e-A1,t х e-A2Q х ne-АЗЕвЕт) , где первый, второй, третий члены относятся соответственно к радиоактивному распаду, инфильтрации воды и биовыносу ¹³⁷Cs из почвы.

– Доказано, что причиной повышенного выноса 137Cs из аллювиальных почв, по сравнению с другими почвами Брянской области, является интенсивная миграция 137Cs в период ежегодных паводков.

Bryansk State Agrarian University