Изучение миграции природных вод на модельных лизиметрах

УДК 631.4

ИЗУЧЕНИЕ МИГРАЦИИ ПРИРОДНЫХ ВОД НА МОДЕЛЬНЫХ ЛИЗИМЕТРАХ

Н.Е. Первова, Ю.В. Егоров

В результате многолетних наблюдений за миграцией лизиметрических вод под различной растительностью получены данные, позволяющие оценить вынос основных элементов из почвенной толщи, а также определить амплитуду колебаний типоморфных элементов в природных водах. Исследованы некоторые почвенные процессы, имеющие место на начальных стадиях почвообразования.

Ключевые слова: лизиметр, миграция природных вод, химический состав вод.

Введение

Изучение вопросов, связанных с миграцией и аккумуляцией веществ в почвенном профиле, тесно связано с использованием лизиметрического метода. От первых опытов с лизиметрами до сегодняшних дней значительно расширилась область применения метода, усложнились конструкции установок, повысились требования к последним. С первых шагов перед исследователями возник вопрос относительно идентичности данных, получаемых при работе с лизиметрами разного типа. В частности, иногда остается неясным, чем именно была обусловлена разница инфильтрации — свойствами почв или особенностями конструкции лизиметров. Основная задача исследователя — получить растворы в состоянии, близком к естественному, и это довольно сложно. «Растворы природных вод — отмечал В.И. Вернадский — достигают сложности, нам недоступной в лаборатории, и только часть наблюдаемых в них явлений, охваченная сейчас теоретической мыслью, может быть пред-вычислена. Это всегда динамическое, подвижное, вечно меняющееся равновесие» [2].

Изучение динамики влаги в естественной почве и в почве, находящейся в лизиметре, привели к заключению, что режим влажности в обоих случаях разный, а метод работы с лизиметрами не гарантирует тождество с природными условиями.

Применение лизиметров разного типа приводит к немалым трудностям при интерпретации получаемых данных. Очевидно, водный режим лизиметра только в том случае будет соответствовать естественному состоянию, когда динамика всех категорий влаги в его почве будет совпадать с изменением влажности в почвах естественного залегания. На сложности, связанные с обсуждением результатов при исследовании жидкой фазы почв, указывают многие авторы. Почвенный раствор является одной из наиболее динамичных фаз почв, практически никогда не находящийся в равновесном состоянии [5]. Сложение почвы также нельзя определить точно, так как трудно добиться равномерного заполнения бункеров лизиметра [6]. Исследователь не может быть точно

уверен, за счет чего идет перераспределение веществ в почвенной толще и формирование структуры. Недостаточно изучена роль растений в вертикальном перераспределении вещества по почвенному профилю. Особый интерес вызывает миграция в нем био-фильных и типоморфных элементов [10].

Объекты и методы исследования

Факультет почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова располагает уникальной установкой почвенных лизиметров. Лизиметры открытого типа заложены в 1967 г., площадь каждого — 9 м2, глубина — 2 м. Они засыпаны бескарбонатным покровным суглинком и заняты различной растительностью: четыре — культурой ели; четыре — смешанными древостоями (ель, дуб, клен), четыре — широколиственными породами (дуб, клен). Луговая растительность также занимает четыре лизиметра; две площадки засеяны культурами, входящими в полевой севооборот; два лизиметра — контрольные, поддерживаемые в состоянии чистого пара. Таким образом, смоделированы условия почвообразования, наиболее часто встречающиеся в подзоне южной тайги. В течение всего периода эксплуатации проводили наблюдения за объемом внутри-почвенного стока. Одна из задач работы — изучение процессов миграции химических элементов с природными водами через двухметровую толщу покровного суглинка.

Результаты исследований и их обсуждение

За 43 года наблюдений верхняя часть суглинка под влиянием климатических и биологических факторов претерпела заметные изменения. К 1990 г. под древесными посадками выделился самостоятельный горизонт подстилки. К настоящему времени подстилка в ельнике достигает мощности 4—5 см. Под подстилкой на всех вариантах опыта с древесными породами лежит слой желтовато-бурого тяжелого суглинка. Под многолетними травами сформировался аккумулятивный гор. А мощностью 5—6 см,

с повышенным содержанием гумуса. Под ним оформляется гор. В. Показано, что в настоящее время содержание органического вещества на изучаемых вариантах различается. Минимальное его количество (0,38%) — в почвенной массе на контрольном варианте под паром. В почвах, развивающихся под растительностью, гумусонакопление идет значительно интенсивнее. Содержание органического углерода здесь на порядок выше по сравнению с почвами лизиметров, не имеющих растительного покрова. Максимальное значение органического углерода (6,15%) наблюдается под широколиственными деревьями. Были исследованы органопрофили формирующихся почв. В первые годы наблюдений они мало различались. В изменении качественного состава гумуса почв под разными фитоценозами можно проследить основные закономерности, характерные для почв зонально-генетического ряда [8].

На протяжении всех лет наблюдали за составом лизиметрических вод и осадков [3]. В литературе, несмотря на обширный материал, отсутствуют данные по многолетней динамике выноса вод из лизиметров двухметровой толщи.

Известно, что на скорость и количество поступления воды из бункеров влияют многие факторы: влажность суглинка, испаряемость, температура воздуха, скорость фильтрации, характер растительности, распределение корней в почвенной толще и т.д. На передвижение природных вод в значительной степени влияют погодные условия. Поскольку в последнее время широко обсуждаются тенденции глобального изменения климата, необходимо знать, что будет происходить при движении природных вод в связи с климатическими флуктуациями. Отмечено, что в жаркие и сухие летние сезоны существует определенный дефицит влаги, который не компенсируется осенними осадками. Если сухие летние периоды будут повторяться, то режим влажности, вероятно, изменится [1]. В экстремально сухие летние сезоны выход воды в приемник лизиметра начинался при осадках более 60 мм/мес.; при осадках 22—60 мм лизиметры не работали. Сумма осадков за год на всей территории колеблется в пределах 545,8—844,4 мм. Имеется сильный разброс в величине осадков (май 2002 г. — 15,6 мм, 2003 — 110,6, 2006 г. — 48,3 мм). Наблюдения за сезонными колебаниями атмосферных осадков и количеством просачивающихся вод дают основания для оценки влагозарядки, что особенно важно для экстремально жарких периодов.

Для всех лет наблюдений на лизиметрах отмечено наличие промывного типа водного режима. Основной объем воды поступает в приемники в период весеннего снеготаяния (март—апрель). С наступлением положительных температур и началом вегетации отмечено резкое уменьшение поступления воды из лизиметров, занятых древесной растительностью. Наибольший вынос вод отмечен на площадке «чис-

пар ель ель, дуб, дуб, многолетние

клен клен травы

Делянки лизиметра

Среднегодовой вынос воды под различными вариантами

тый пар» (рисунок). Сезонный вынос вод, выраженный в процентах от осадков, позволяет ориентировочно судить о состоянии увлажнения почвенно-грун-товой толщи.

Лизиметрические воды исследуемых модельных биогеоценозов относятся к типу гидрокарбонатно-сульфатных кальциевых (табл. 1). Растворы имеют нейтральную и слабокислую реакцию с незначительными колебаниями по годам и сезонам. На рН лизиметрических вод заметное влияние оказывают атмосферные осадки. Среди катионов в них преобладает ион кальция, среди анионов — сульфат-ион. Атмосферные осадки по минеральному составу относятся к сульфатно-кальциевому классу. Особенно важно знать количество минеральных солей, поступающее с осадками на поверхность почвы. Среднее многолетнее суммарное количество солей в выпадающих в данном районе осадках составляет 138,5 кг/га в год; в последние годы их кислотность уменьшается [9].

В катионном составе лизиметрических вод и атмосферных осадков преобладает ион кальция. Если в первые два десятилетия наблюдался некоторый разброс цифр, характеризующих его концентрацию на всех вариантах опыта, то в последние 10—15 лет отмечено постоянство этого показателя как относительно кальция, так и магния в водах. Это обстоятельство можно объяснить установившимся равновесием между жидкой фазой почвы и нижней частью покровного суглинка, а также характером химических взаимодействий, имеющих место в почвенной толще. В последние годы отмечено повышение содержания солей кальция и магния в лизиметрических водах (табл. 2), что, вероятно, связано с загрязнением и внесением СаС12 в зимнее время (противогололедные мероприятия). В Москве и Подмосковье за последние десятилетия можно заметить тенденцию увеличения рН для проб снега, т.е. происходит некоторое подщелачивание. Определить причины этого явления достаточно трудно. Возможно, оно обусловлено повышением концентрации в снеге ионов кальция и магния. Увеличение концентрации этих

Таблица 1

Пределы колебаний концентраций основных элементов в лизиметрических водах и атмосферных осадках (мг/л) за 2002—2006 гг.

Вариант Сезон рН Са2+ Мв2+ К+ 8042- Бе3+

Чистый пар зима весна лето осень 6,7—6,9 6,7—6,9 6,9—7,1 6,7—7,1 12,3—17,4 11,8—16,4 12,3—18,5 14,8—16,5 7,6—9,7 6,3—9,1 7,9—11,2 8,6—11,6 0,4—0,4 0,3—0,4 0,3—0,5 0,4—0,5 6,9—7,8 6,8—7,4 6,4—7,6 6,8—7,8 41,2—54,2 30,4—47,2 42,4—49,6 42,2—48,4 0,5—0,7 0,5—0,8 0,5—0,7 0,5—0,7

Ель зима весна лето осень 6,8—7,2 6,8—7,3 7,0—7,3 6,8—7,1 14.2—17,8 14.3—17,1 13.5—15,9 13.6—16,5 8,5—12,3 7.3—12,8 7,1—12,0 7.4—12,0 0,4—0,6 0,4—0,5 0,3—0,4 0,3—0,4 7.4—8,6 7,2—8,3 8,1—9,0 7.5—8,4 34,9—68,1 38,5—54,1 49,8—58,1 42,7—66,1 0,4—0,6 0,3—2,4 0,4—1,1 0,3—1,0

Ель, дуб, клен зима весна лето осень 6.7—7,0 6.8—7,0 6,8—7,1 6,7—7,1 12,2—16,0 12.6—15,9 11,5—17,0 13.7—16,9 6,9—12,0 8,2—12,0 7.8—12,0 7.9—11,4 0,4—0,4 0,4—0,5 0,4—0,5 0,4—0,6 7.0—9,0 6,9—8,6 7.1—8,6 6,9—8,2 47,2—52,5 39,6—48,7 40,0—52,3 32,8—57,8 0,1—0,9 0,3—1,0 0,4—0,7 0,4—0,6

Дуб, клен зима весна лето осень 6,6—7,2 6,6—7,2 6,5—7,0 6,4—6,9 13,6—17,8 12,5—16,2 11.5—16,8 13.6—16,5 8,6—10,0 9,8—11,6 7,7—10,7 7,5—11,5 0,4—0,5 0,4—0,5 0,4—0,5 0,4—0,5 6,7—8,6 7,5—8,7 7,4—9,0 7,2—8,6 41.6—56,0 46,2—66,1 44.7—52,7 39,9—53,2 0,4—2,7 0,4—0,7 0,3—0,7 0,1—0,8

Многолетние травы зима весна лето осень 6.0—7,0 6,8—7,1 6.1—6,9 6,6—7,2 11,4—17,4 10,6—17,2 12,0—15,1 12,4—21,4 6,9—11,5 4,5—12,1 7,4—12,1 6,8—18,6 0,4—0,6 0,4—0,5 0,4—0,5 0,4—0,5 6.8—7,6 7.9—9,0 7,6—8,7 7,6—8,6 39,8—53,4 41,5—54,2 25,1—54,2 27,4—55,1 0,4—0,7 0,4—1,3 0,4—1,2 0,3—0,9

Осадки среднегодовые 6,4—7,0 6,4—15,0 0,4—2,4 0,3—10,0 0,9—6,0 13,9—49,4 0,1—0,2

ионов в осадках может быть связано с ухудшением качества очистки пышеуловителей на ТЭЦ, что неизбежно приводит к увеличению выбросов зольных остатков горения, содержащих повышенные концентрации кальция и магния [9]. Если расположить катионы в ряд по убыванию концентраций в лизиметрических водах, то за кальцием следует магний и натрий. Низкое содержание железа и фосфора в водах очевидно связано с тем, что их перемещение по профилю осуществляется в форме органо-минераль-ных соединений. Последние теряют подвижность и выпадают из растворов на небольших глубинах.

Преобладающим анионом в лизиметрических водах является сульфат-ион. Высокое содержание серы как в осадках, так и в природных водах, объясняет-

ся антропогенным влиянием мегаполиса. При изучении твердых осадков показано, что ежегодно на лизиметр с пыиью поступает 28 г серной кислоты. Степень адсорбции 804- зависит от влажности почв, рН, удельной поверхности, пористости почв и других факторов. Воздушно-сухие почвы могут адсорбировать 1,1—15,3, влажные — 9,3—66,8 мг 802/г почвы.

Наиболее динамичным компонентом лизиметрических вод является гидрокарбонат-ион. Колебания его концентраций обусловлены динамикой влажности, изменением температуры, интенсивности дыхания и характера биохимических процессов в почве.

Для первых 20 лет наблюдений были рассчитаны коэффициенты гидрогеохимической активности (КИ), представляющие собой отношение количества

Таблица 2

Химический состав лизиметрических вод, мг/л

Вариант рН НС03- С1- 8042- Са2+ Мв2+ К+ ги Ми Бе Си

Чистый пар 7,0 19,5 8,4 23,0 9,0 3,0 4,8 1,6 0,9 следы 0,4 следы

Ель 6,1 10,4 16,8 69,1 22,0 7,8 6,7 1,6 3,2 0,1 3,2 то же

Ель, дуб, клен 7,6 50,6 35,3 72,0 37,0 6,0 11,7 12,5 0,2 следы 0,6 — и —

Дуб, клен 6,8 39,7 216,7 44,1 82,0 23,4 25,0 9,4 0,7 то же 0,1 — и —

Многолетние травы 6,5 21,4 94,1 13,4 33,0 9,0 12,9 2,7 0,2 — и — 0,1 — и —

элементов, выносимых ионным стоком за год, к количеству, поступающему с атмосферными осадками [4]. В большинстве случаев скорость выведения химических элементов из модельных экосистем наблюдается на варианте с чистым паром. Наибольшей миграционной активностью среди катионов характеризуются натрий и магний (табл. 2). Все показатели свидетельствуют о различиях между вариантом «чистый пар» и остальными (количество просачивающейся воды, концентрация основных элементов, характер кривых, отражающих магнитную восприимчивость почв).

Сравнение состава лизиметрических вод, мигрирующих в модельных БГЦ, с данными лизиметрических наблюдений в сложившихся полновозрастных фитоценозах подзоны южной тайги показывает, что по содержанию основных компонентов они сходны [7].

При изучении миграции основных типоморфных элементов были просчитаны показатели, характеризующие их вынос из лизиметров с природными водами. Отмечено, что в большей степени выносится кальций (табл. 3.).

Таблица 3

Вынос элементов из лизиметров за 1967—2000 гг., кг/га

Элементы Черный пар Многолетние травы Ель Дуб, клен

Са 2112,00 990,00 924,50 1056,00

Мв 429,00 330,00 237,50 330,40

К 80,00 99,20 40,00 53,80

ш 429,00 814,10 400,00 560,70

Бе 13,00 10,50 6,60 13,00

Состав жидкой фазы почвы, несмотря на ее динамичность, является характерным показателем, отражающим направление и специфику почвообразовательного процесса. Многолетние исследования мигрирующих растворов позволяют определить тренды выноса и накопления под различной растительностью. В табл. 3 приведены показатели выноса элементов из лизиметров. Под древесными растительными сообществами он намного меньше их запасов в фи-томассе. Под многолетними травами эти величины такого же порядка, хотя запасы элементов в фи-

томассе значительно ниже. Очевидно выносу препятствует интенсивный биологический круговорот. Максимальный вынос элементов с внутрипочвенным стоком характерен для черного пара. Полученные результаты в многолетних циклах позволили выявить некоторые особенности вертикальной миграции веществ.

Итак, изучение миграции природных вод свидетельствует о том, что состав лизиметрических вод отражает квазиравновесное состояние между жидкой фазой почв и нижней частью почвогрунта.

Выводы

• Выявлено, что химический состав лизиметрических вод, исключая последние годы, под различной растительностью сходен. Очевидно, это связано с наличием мощного слоя покровного суглинка, который нивелирует возможные различия в концентрациях природных вод, мигрирующих в верхней части почвенной толщи.

• В последние годы наблюдается повышенное содержание кальция и магния на вариантах «дуб, клен» и «ель, дуб, клен». Видимо, это связано с загрязнением реагентами в зимнее время и варьированием концентраций этих элементов в зависимости от состава растительного покрова.

• Многолетние исследования на стационарных установках показали, что концентрации химических элементов в лизиметрических водах близки к таковым в почвенных растворах подзоны южной тайги (Московская обл.). Это свидетельствует о том, что на пробных площадках идут процессы, подобные тем, которые мы наблюдаем в подзоне южной тайги.

• Длительный опыт на лизиметрах позволяет проследить за начальными стадиями почвообразования под различной растительностью (образование гумусового горизонта под многолетними травами, формирование гор. В).

• Определение концентрации тяжелых металлов в водах позволяет оценить степень загрязнения изучаемых участков. Незначительное содержание тяжелых металлов, хорошее состояние древесной растительности свидетельствуют о благоприятной экологической обстановке на территории почвенного стационара.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильевская В.Д., Первова Н.Е. Изменение интенсивности миграции водорастворимых веществ в почвах тундровых и таежных ландшафтов в связи с глобальными изменениями климата // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1995. № 1.

2. Вернадский В.И. История минералов земной коры. Т. 2. История природных вод. Ч. 1, вып. 1. Л., 1933.

3. Герасимова Л.В., Первова Н.Е, Лобутев А.П. О почвообразовании под различной растительностью на покров-

ном суглинке в условиях 20-летнего лизиметрического опыта // Почвоведение. 1989. № 1.

4. Герасимова Л.В, Первова Н.Е, Рыжова И.М. Миграция элементов в модельных БГЦ с различной растительностью на ранних стадиях почвообразования // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1987. № 1.

5. Копцик Г.Н, Лукина Н.В, Смирнова И.Е. Влияние атмосферного промышленного загрязнения на состав почвенных растворов подзолов // Почвоведение. 2007. № 2.

6. Малинина М.С., Иванилова C.B. Почвенные растворы торфянисто-подзолисто-глееватых почв ЦЛ ГПБЗ и сравнение некоторых показателей их химических свойств с экстрактами из них // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2005. 4.

7. Первова Н.Е., Евдокимова Т.И. Состав почвенных растворов в подзоне южной тайги // Почвоведение. 1984. № 1.

8. Савельев Д.В., Владыченский A.C. Гумусное состояние почв модельных экосистем почвенных лизиметров // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2001. № 1.

9. Справочник эколого-климатических характеристик Москвы. Т. 2. М., 2005.

10. Фокин А.Д. Роль растений в перераспределении вещества по почвенному профилю // Почвоведение. 1999. № 1.

Поступила в редакцию 30.05.2011

RESEARCH STUDY OF NATURAL WATERS WITH MODEL LYSIMETERS N.E. Pervova, Yu.V. Egorov

In the issue of long-term data study for lysimetric waters migration under variousvegetation there were received data enable to estimate an ejection of essential elements from soil thickness and to determine an amplitude of concentration range of typemorphous elements in natural waters. There were investigated some soil processes which occur on initial stages of soil formation.

Key words: lysimeter, migration, chemical composition, soil water.

Сведения об авторах

Первова Наталья Ефимовна, канд. биол. наук, науч. сотр. каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495)939-35-73, e-mail: Kuznesova_new@mail.ru. Егоров Юрий Валентинович, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495)939-35-73.