CC BY
19
УДК 631.439
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕНОСА АГРОХИМИКАТОВ В ПОЧВЕ: ШАГ СМЕШЕНИЯ
1Е.В. Шеин, д.б.н., 1 2А.А. Кокорева, к.б.н., 2В.Н. Колупаева, к.б.н., 12А.А. Белик, 3П.А. Плетенев, к.б.н.
1МГУ имениМ.В. Ломоносова, e-mail: evgeny.shein@gmail.com 2ВНИИ фитопатологии, e-mail: belikalexandra@ gmail.com ЪФНЦГимени Ф.Ф. Эрисмана, e-mail: nyov@yandex.ru
Корректное количественное описание и математическое моделирование потока воды с растворенными агрохимикатами в почве возможно при экспериментальном определении параметров солепереноса, в частности, «шага смешения» или «диффузивности вещества». Рассмотрено влияние масштаба исследования и гранулометрического состава почв на количественное значение «шага смешения». Установлено, что влияние масштаба исследования на значение «шага смешения» наиболее выражено в агродерново-подзолистой почве, с ее особенности строения порового пространства. Значения «шага смешения» для разномасштабных образцов ненарушенного сложения аллювиальной серогумусовой почвы отличаются незначительно. Вероятно, влияние размеров образцов на шаг смешения для легких почв проявляется в условиях большего масштаба и при возникновении латерального переноса влаги.
Ключевые слова: почва, агрохимикаты, шаг смешения, диффузивность вещества, преимущественные потоки, миграция веществ.
EXPERIMENTAL EVALUATION OF DISPERSIVITY LENGTH VALUE
1Dr. Sci. E.V. Shein, 12PhD. A.A. Kokoreva, 2PhD. V.N. Kolupaeva, 1 2A.A. Belik, 3PhD. P.A. Pletenev
1 Moscow Lomonosov State University, e-mail: evgeny.shein@gmail.com 2All-Russian Scientific-Research Institute for phytopathology, e-mail: belikalexandra@ gmail.com 3Federal Scientific Center for Hygiene named after F.F. Erisman, e-mail: nyov@yandex.ru
The correct quantitative description and mathematical modeling of soil water flow with dissolved agrochemi-cals is possible with experimental determination of salt transfer parameters in particular «dispersivity length» or «diffusivity of substance». In research the effect of experimental scale and soil texture on quantitative value of «dispersivity length» is examined. It was found that the impact of experimental scale on «dispersivity length» is most pronounced in podzolic soils with its features of the pore space structure. For multiscale undisturbed samples of alluvial soil values of «dispersivity length» differ slightly. It is possibly that for light soils the influence of sample size on dispersivity length appears in conditions of larger scale and lateral moisture transfer.
Keywords: soil, agrochemicals, dispersivity length, diffusivity of substance, preferential flows, migration of substances.
Для увеличения продуктивности сельскохозяйственных земель активно используют различные агрохимикаты. Чтобы предотвратить негативные последствия их применения важно прогнозировать их поведение в природных объектах, для чего необходимо знать особенности транзитных функций почвы. Один из общепринятых подходов к описанию переноса воды и веществ в почвах базируется на уравнении конвективно-диффузионного переноса (КДП), так называемая дифференциальная модель влагопереноса. В ее основу положено дифференциальное уравнение Ричардса [1]. Однако в реальной почве равномерного, стационарного и однообразного фронта передвижения не наблюда-
ется. Конвекцию осложняют специфические явления диффузии и дисперсии. В любом капилляре на границе воды и раствора всегда будет происходить процесс диффузии. Кроме того за счет извилистости и неравномерности порового пространства влага движется отдельными смешивающимися «струйками» в движущемся в почвенных порах растворе. Сложность строения порового пространства, неоднородность скоростей потока в порах различного диаметра и формы обусловливает диф-фузность (размыв) фронта движущегося раствора. Данное явление получило название «гидродинамической дисперсии», а коэффициент, входящий в его расчеты, - «шаг смешения» [2]. Передвижение вла-
ги и веществ может происходить также по макропорам и трещинам, при этом большая часть веществ, передвигающаяся с почвенными растворами, не успевает взаимодействовать с почвенной матрицей и в сравнительно короткие сроки может оказаться в грунтовых водах [3]. В макропорах наблюдается быстрый проскок воды, формируется так называемый нехроматографический поток и, как следствие, процессы сорбции и деградации в гораздо меньшей степени участвуют в транспорте химических веществ. Даже вещества с различными свойствами транспортируются вместе указанным механизмом, и миграция в основном зависит от местных почвенных и климатических условий [4].
Для прогноза концентрации агрохимикатов в окружающей среде часто используют модели на основе КДП или хроматографических принципов миграции веществ (chromatographic flow models) [5, 6]. Однако, как уже сказано выше, в уравнении КДП имеется параметр «шаг смешения» или англоязычный термин «diffusivity», учитывающий неравномерность потоковых характеристик порового пространства и диффузность фронта движущегося раствора, поэтому такие модели включают его в свое экспериментальное обеспечение. Данный параметр до настоящего времени не имеет строгого физического обоснования и методики экспериментального определения; известно, что он возрастает с увеличением неоднородности почвенного поро-вого пространства, извилистости почвенных пор и варьирует в значительных пределах [2]. Кроме того считается, что значение «шага смешения» возрастает с утяжелением гранулометрического состава почв [2, 7], также с его возрастанием увеличивается сквозная порозность. Поэтому за счет варьирования «шага смешения» в хроматографических моделях можно симулировать явление преимущественной миграции по макропорам [5, 8]. Определение «шага смешения» - важнейшая экспериментальная задача, причем многие аспекты методики его определения [7, 9] остаются до настоящего времени неясными. В условиях эксперимента особенно интересно влияние таких факторов, как масштаб исследования (горизонтальный и вертикальный), гранулометрический состав почвы и скорость потока. Очень важно получить конкретные количественные значения данного параметра для последующего использования при моделировании.
Цель работы - экспериментальное определение «шага смешения» в лабораторных фильтрационных экспериментах с почвенными монолитами разной длины и гранулометрического состава.
Объекты и методы исследования. Методология проведения фильтрационного эксперимента с использованием почвенных колонок стандартизирована и подробную информацию можно найти в Руководстве OECD [10]. В нашем исследовании мы
придерживались более традиционных методов для отечественного почвоведения [7, 9]. Почвы в колонках предварительно капиллярно насыщали на песчаной подложке, затем влажность была доведена до полной влагоемкости и проводилась фильтрация нейтрального несорбируемого иона хлора и сорбирующегося иона калия (введен раствор KCl). Концентрации хлорид-иона в порциях фильтрата были измерены потенциометрическим методом с помощью преобразователя ионометрического И-500 (Аквилон). После построены выходные кривые хлорид-иона в координатах (относительная концентрация - такт), где в качестве величины «относительного времени» используется «такт», который представляет собой количество смен порового раствора и рассчитывается как отношение количества профильтровавшегося раствора к объему пор в почвенной колонке [9].
После окончания опыта колонки были препарированы с шагом 5 см в горизонтальном направлении. Из каждого слоя были взяты 7 образцов на определение содержания хлора и калия, их концентрации в почвенных вытяжках определены методом пламенной фотометрии с помощью анализатора ПФА 378. На основании полученных данных построены диаграммы профильного распределения. После такого рода экспериментов возможен расчет гидрохимических параметров миграции пестицидов, а именно «шага смешения». Определение численных значений параметра «шаг смешения» выполнено методом решения обратных задач с помощью адаптированной программы CFITIM [7, 11].
Использование колонок различного размера позволяет оценить влияние масштаба исследования, прежде всего длины колонки, на «шаг смешения». В данном случае были использованы почвенные монолиты высотой 10 см и диаметром 4,5 см и монолиты высотой 30 см и диаметром 10 см двух почв: тяжелосуглинистой агродерново-подзолистой (Пушкинский район Московской области, Зеленоградский стационар Почвенного института имени В.В. Докучаева) и легкосуглинистой пылеватой аллювиальной серогумусовой почвы (Московская область, Звенигородская биостанция биологического факультета МГУ). Основные свойства горизонтов почв представлены в таблице 1.
Результаты. Характер фильтрации в колонках с малыми монолитами высотой 10 см для двух почв был различным. Хотя значение порозности для двух почв оказалось близким (55%), скорость фильтрации раствора значительно отличалась: в дерново-подзолистой почве скорость потока на выходе колонки составила 23,2 см/сут, а для более легкой, аллювиальной в зависимости от горизонта: от 341 до 120 см/сут. Однако, выходные кривые в координатах (с/с0; такт) для верхних горизонтов почв получились практически идентичными (рис. 1А).
1. Некоторые физические и химические свойства почв
Показатель Агродерново-подзолистая Аллювиальная серогумусовая
РУ ЕЬ АУ АУС
Глубина/мощность, см 0-36/36 36-42/6 9-24/15 >24
Содержание общего углерода, % 1,10 0,20 2,09 1,22
рНН2О 6,52 6,29 7,63 7,93
Плотность почвы, г/см3 1,2 1,35 1,17 1,32
Плотность твердой фазы, г/см3 2,60 2,78 2,59 2,58
Порозность, % 55 53 55 49
Гранулометрический состав: российская / международная номенклатура тяжелый суглинок / пыль средний суглинок / пыль легкий суглинок / суглинок супесь / суглинок
Глина, <2 мкм 0,106 0,052 0,078 0,061
Пыль, 2-50 мкм 0,879 0,935 0,596 0,412
Песок, >50 мкм 0,015 0,013 0,326 0,527
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 о У 0,5 и 0,4 0,3 о.: 0,1 0,0 0 А: Монолиты 10 см 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 У 0.5 и 0.4 0.3 0.2 0.1 Б: Монолиты 50 см
_•
Г
•
Г р 4 *
■Я *
Т
_/ — Агродерново-подтттстаяпочваФ) —•— Агродерново-подзолистая почва
У < —Аллювпальная серогумусовая почва (АУ) —*— Аллювиальная серогумусовая почва
^^ * ♦ - Аллювиальная серогумусовая почва (АУС 5
0 0 5 1,0 1,5 2,0 2 5 3,0 3 такт и, и — 0 а,; 1,5 : 2 5 3 3,5 4 такт
Рис. 1. Выходные кривые хлорид-иона
В эксперименте с большими почвенными монолитами скорость течения раствора в порах составляла 500-700 см/сут, что значительно выше, чем в эксперименте с малыми монолитами. Это связано с тем, при возрастании масштаба монолита увеличивается неоднородность сложения почвы, больше возможность наличия трещин, крупных пор, ходов почвенной мезофауны, гидравлической связи между проводящими порами. Это приводит к появлению преимущественных потоков миграции, по которым раствор достаточно быстро проходит вниз по профилю монолита.
Выходные кривые позволяют предположить различные механизмы движения хлора в почве: для дерново-подзолистых почв наблюдается более быстрый выход иона хлора и, следовательно, преимущественный перенос иона по макропорам и межагрегатному поровому пространству, тогда как для аллювиальных почв концентрация хлора в стоке увеличивается постепенно, что указывает на равномерное передвижение иона (рис. 1Б). Это должно сказаться и на заметно большем значении «шага смешения» для дерново-подзолистых почв.
После окончания опыта и стекания гравитационной влаги из колонок большие монолиты были пре-
парированы с шагом 5 см в горизонтальном и вертикальном направлениях. И по характеру профильного распределения хлора и калия в колонках (рис. 2), также можно сделать вывод о том, что значение «шага смешения» для дерново-подзолистых почв будет выше, чем для аллювиальных. В дерново-подзолистой почве будет наблюдаться быстрое движение вещества по крупным порам. В аллювиальной серогумусовой почве калий двигался равномерно, тогда как в агроагродерново-подзолистой почве происходит искажение равномерного потока (калий двигался по преимущественным путям миграции).
В результате фильтрационного эксперимента были рассчитаны с помощью адаптированной программы СР1Т1М численные значения параметра «шаг смешения» (табл. 2).
В эксперименте с большими монолитами для аг-родерново-подзолистой почвы «шаг смешения» намного больше, чем для аллювиальной почвы. Вследствие низкой гидравлической проводимости тонкотекстурных почв, а также проведения эксперимента в насыщенных условиях, происходит активация межагрегатных пор, что ведет к увеличению значения параметра «шаг смешения» в агродерново-подзолистой почве по сравнению с аллювиальной
Рис. 2. Профильное распределение калия и хлора в почвенных монолитах: А - аллювиальная серогумусовая почва, Б - агродерново-подзолистая почва
2. Значения коэффициента фильтрации и «шага смешения» для монолитов разной длины
Почва Шаг, см Коэффициент фильтрации, м/сут
Монолиты высотой 30 см
Агродерново-подзолистая 40,3 2,94
Аллювиальная серогумусовая 4,4 3,92
Монолиты высотой 10 см
Агродерново-подзолистая (PY) 1,0 0,10
Аллювиальная серогумусовая (AY) 2,0 1,83
Аллювиальная серогумусовая (AYC) 2,7 0,61
почвой, где основной ток воды движется по мелким внутриагрегатным порам матрицы почвы. Фильтрационный эксперимент с ионом хлора показывает, что значения «шага смешения» зависят не только от физико-химических свойств почв, но и в значительной степени изменяются при варьировании масштаба иследования. Значения данного параметра растут с увеличением латерального масштаба выбранных объектов, а также с увеличением масштаба (длины) рассматриваемого в экспериментах порового пространства (мощность монолитов).
Выводы. Лабораторный эксперимент показал, что значение «шага смешения» возрастает с увеличением длины колонки. Более высокие значения «шага смешения» характерны для агродерново-подзолистых почв с более неоднородным поровым пространством и наличием более крупных межагрегатных пор. Профильное распределение калия в почве колонок показало, что легкосуглинистой аллювиальной серогумусовой почве калий двигался равномерно, тогда как в тяжелосуглинистой агродерново-подзолистой почве он двигался по преимущественным путям миграции.
Литература
1. Сметник А.А., Спиридонов Ю.Я., Шеин Е.В. Миграция пестицидов в почвах. - М.: РАСХН-ВНИИФ, 2005. - 327 с.
2. Шеин Е.В. Курс физики почв: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ, 2005. - 432 с.
3. Katagi T. Soil Column Leaching of Pesticides // Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, 221, 2013.
4. Kordel W. and Klein M. Prediction of leaching and groundwater contamination by pesticides // Pure Appl. Chem., 2006, Vol. 78, No. 5. - PP. 1081-1090.
5. Шеин Е.В., Кокорева А.А., Горбатов В.С., Ума-рова А.Б., Колупаева В.Н. Оценка чувствительности, настройка и сравнение математических моделей миграции пестицидов в почве по данным лизиметрического эксперимента // Почвоведение, 2009, № 7.
6. Computational methods for agricultural research: advances and applications, Hércules Antonio do Prado, Alfredo Jose Barreto Luiz, Homero Chaib Filho Information Science Reference / IGI Global, Hershey, Pa. [u.a.], 2011.
7. Умарова А.Б. Преимущественные потоки влаги в почвах: закономерности формирования и значение в функционировании почв. - М.: ГЕОС, 2011. - 266 с.
8. Scorza R.P.J., Boesten J.J.T.L, Simulation of pesticide leaching in a cracking clay soil with the PEARL model // Society of Chemical Industry, 2005. - PP. 432-448.
9. Теории и методы физики почв: Коллективная монография / Под ред. Е.В. Шеина и Л.О. Карпачев-ского. - М.: «Гриф и К», 2007. - 616 с.
10. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Leaching in Soil Columns, 2004.
11. van Genuchten M. Th. CFITIM Model: Estimates parameters in several equilibrium and non-equilibrium transport models from solute breakthrough curves, USDA Agricultural Research Service, 1981.
