ИОННЫЙ ОБМЕН И МИГРАЦИЯ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА—РАСТЕНИЕ Шутов, Владимир Николаевич

Введение к работе

Актуальность пройдеш. Исследование миграции щелочноземельных элементов в системе почва-растение является актуальным как для почвоведения, так я для радиоэкологии, поскольку С*, Mg -основные катионы почвенного поглощающего комплекса и вахнейине компоненты минерального питания растений, а радиоактивные изотопы щелочноземельных элементов - ⁹⁰зг и ^22бйа относятся к наиболее радиационно-эначнмым и миграцнонноспособным в биосфере. Имеющиеся исследования не дают достаточно полного количественного представления о взаимосвязи поведения всех щелочноземельных элементов в системе почва-растение, а касается, в основном, по-ведения ⁹⁰8г и его 0ликаИиего аналога -Са. Если проблемы почвенной химии и радиоэкологии ⁹Sr в настоящее время считают практически решенными, то вопросы оценки и прогнозирования миграции ²²⁶r» иэ почвы в растение традиционными для прогнозирования миграции ⁹⁰sr, или новыми методами, еще не выяснены.

Изучение поведения химических элементов в системе почва-растение связано со значительными трудностями, главные из которых -многокомпонентное» системы почва-растение, полифункцнональность и полидисперсность почвы как сорбента, многообразие типов почвы н произрастающей на нее растительности. Одним иэ перспективных путей преодоления имеющихся трудностей является, по-нашему мнению, изучение миграции не отдельных элементов, а групп элементов-аналогов и установление общих зависимостей параметров миграции всех элементов-аналогов от таких определяющих их поведение в системе почва-растение факторов, как свойства почвы и физико-химические свойства элементов.

Цель исследования заключается в том, чтобы на основании сравнения особенностей распределения щелочноземельных элементов

у- —-- —— ^" ' "Г

t Цзв":. е;*іш ЄіСгвтт

і Над. вя, К А. їмї$««г* J

_{1 * Ж -лют}

в системе почва-растение выявить общие закономерности сорбции (ионного обмена) Ca_t Sr, Ба, Re почвами, закономерности их перехода из почвы в растение и оценить возможность прогнозирования выноса тяжелых щелочноземельных элементов урожаем по выносу их аналогов.

Задачи исследования г

1. Определение количественных характеристик распределения Са, Sr, Ва, Ra между твердой и жидкой фазами почвы и термодинамических характеристик прочности связи щелочноземельных элементов с почвой.

2. Установление роли ионного обмена во взаимодействии щелочноземельных элементов с твердой фазой почвы.

3. Выявление факторов, влнящнх на сорбции каждого из щелочноземельных элементов почвой, на накопление их растениями и оценка степени значимости этих факторов.

4. Установление связи параметров накопления щелочноземельных элементов растениями с параметрами ионообменной сорбции этих элементов почвами и разработка на основе этой связи метода прогнозирования .выноса щелочноземельных элементов и их радиоактивных изотопов урожаем сельскохозяйственных растений.

Научная новизна. Обоснована возможность использования изотопов 4^Ca, ³%r, ¹^Ва, ²²4Ra как радиоактивных индикаторов для изучения миграции щелочноземельных элементов в системе почва-растение. Изучены закономерности статической сорбции всех щелочноземельных элементов пахотными горизонтами дерново- подзолистых и черноземных почв. Впервые получены термодинамические характеристики прочности связи радня и его аналогов с почвами. Показана применимость упрощенной формы уравнения ионного обмена

Никольского Б.П. для количественного описания миграции щелочноземельных элементов в системе почва-растение. Исследована зависимость параметров сорбции всех щелочноземельных элементов почвами к параметров накопления их растениями от основных свойств почвы и физико-химических характеристик ионов элементов, впервые получено уравнение, связывающее коэффициенты накопления растениями элементов-аналогов о термодинамическими параметрами ионообменной сорбции этих элементов почвами, дающее возможность прогнозирования накопления любого из щелочноземельных элементов (и их радиоактивных изотопов) растениями.

Практическая значимость. Предложен новый способ оценки накопления щелочноземельных элементов растениями на основе параметров накопления одного из них растениями и констант обмена элементов в системе почва-раствор. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования поступления тяжелых щелочноземельных элементов и их радиоактивных изотопов в урожай сельскохозяйственных культур, для нормирования концентрации

Ra в фосфорных удобрениях, для оценки доз облучения населения за счет ⁹⁰Sp и ^22бЕа.

Результаты исследований вошли в утвержденные Минздравом РСФСР методические рекомендации для радиологических групп санитарно-эпидемиологических станций по определении концентраций ^22бйа в различных объектах внешней среды, в том числе в пробах почв и растений.

Часть результатов опубликована в материалах Национальной Комиссии по Радиационной Защите при Минздраве СССР и использована для оценки доз облучения населения естественными радионуклидами.

Материалы работы используются в курсе лекций по сельскохозяй-

ствеяной радиобиологии на кафедре агрохлнии Ленинградского Сельскохоэяиственного института.

Теоретическое значение* полученные на основе положений Периодического закона и теории ионного обмена количественные соотношения между щелочноземельными элементами при их переходе на почвы в растение дополняют современные теоретические представления о миграции химических элементов в биосфере.

Объем работы. Работа состоит из введения, обзора литературы, трех глав с материалами собственных исследование, заключения, выводов я списка использованное литературы» включающего 165 наименований отечественных и чО зарубежных авторов. Диссертация изложена на 187 страницах м&винописного текста, включая 29 рисунков» 37 таблиц н список литературы.

^пробачна работы, диссертация рассыотрена и рекомендована к защите на заседании кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова в феврале 1982 г. Материалы диссертации обсуждались на конференции по радиационной гигиене (1975 г*, Ростов-ка-Дону), на симпозиуме "Количественные критерии накопления радионуклидов биологическими объектами" (1977 г., Тбилиси), на координационном научно-методическом совещании "Задачи и перспективы развития исследований в области радиоэкологии почвенно-растительного покрова" (1978 г_м Москва), на секции радиационной гигиены Всероссийского научного общества гигиенистов и санитарных врачей (1979 г,, Ленинград), на I Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной радиологии (1979 г., Обнинск), на совещании Совета по сельскохозяйственной радиологии при Президиуме ВАСХНИЛ (1980 г., Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Основными материалами для исследований служили дерново-подзолистые и черноземные почвы (41 образец)* свойства которых варьировали в пределах: еикость поглощения (Е) 2,0-56,5 мг-экв/ 100 г; сумма концентраций обменных Са и Mg (з) 1,9-55,4 мг-экв/ЮО г; концентрация обыекного с* [Ся] 1,7-53,0 мг-экв/ДОО Г} содержание гумуса (С) 0»>8,4 #; рН водной внтяжки 4,58-7,90-

В работе использованы методы агрохимического, радиохимического, гамма-спектрометрического, радиометрического анализов; агрохимические методики постановки вегетационных и проросткових опытов; методы статистической обработки результатов.

В качестве радиоактивных индикаторов щелочноземельных элементов применены45с_а( ⁸5sr, ^Sr, **^Ва, Tta» Сорбцию щелочноземельных элементов почвами изучали в статических условиях* В зависимости от цели исследования использовали либо естественные образцы почв, либо монофорыы почв, то есть препараты почв, специально насыщенные одним из щелочноземельных элементов.

Для количественной характеристики сорбции Са, Sr, Ба и Па почвами использовали величину коэффициента распределения (к,), равнув отношению концентраций элемента в твердой и жидкой фазах. Для установления факта равновесного распределения элемента между твердой и жидкой фазами почвенных суспензий использовали два метода: метод подхода к равновесным значениям с двух сторон и метод снятия кинетических кривых сорбции и изотопного обмена.

Для характеристики относительной прочности связи щелочноземельных элементов с монофорыаыи почв определяли термодинамические параметры ионообменной сорбции Ra и его аналогов - хон-

станты обмена:

( й, н _ концентрации обменивающихся ионов в твердой фазе; м,и -концентрации обменивающихся ионов в жидкой фазе) и величины изменения свободных энергий «.G ионообменных реакций.

для сравнения параметров миграции Са, Sr, Ва, Re в системе почва-растение были поставлены опыты, в которых экспериментально определены коэффициенты накопления (КН) щелочноземельных элементов растениями моркови (в течение периода вегетации) и проростками пиеницы, а такхе коэффициенты дискриминации (КД) одних элементов относительно других:

"П "ПЦ

С ^мр»И_п - концентрации элемента в растении и почве соответственно). Статистическая обработка результатов выполнена ЭВМ "Наири-2".