Исследование экологического статуса систем «Почва-растение» степной зоны при антропогенном воздействии (стр. 2 )

Чернозем типичный выщелочный. Амплитуда быстрого компонента (G) возрастает с ростом температуры аналогично другим типам почв. Наиболее значительный рост интенсивности компонента отмечается у третьего слоя почв

при температуре 800°С.

Постоянная быстрого компонента (а) характеризуется значительным снижением с ростом температуры (для первого слоя) прокаливания. Вместе с тем постоянная второго и третьего слоев практически не изменяется.

а б

Рисунок 6. Зависимость параметров ЗФ G (а) и а (б) чернозема типичного выщелочного от температуры прокаливания.

Постоянная а коррелирует с pH, гумусом, подвижным калием, ЛОВ (р<0,2).

рН солевой. Значение рН не изменяется до температуры прокаливания 400°C и увеличивается до величины 12 при температуре 800°С для всех 3-х слоев почв. При этом ход зависимости рН коррелирует с гумусом, постоянной быстрой компоненты, ЛОВ, плотным остатком (р<0,2).

Подвижные фосфор и калий. Содержание подвижных форм фосфора и калия достигает максимального значения при температуре прокаливания 400-600°С для всех исследованных слоев почвы. При этом наибольшее увеличение

фосфора и калия происходит во втором слое почв (до 5 раз).

Чернозем южный. Амплитуда быстрой компоненты (G) для чернозема южного увеличивается с ростом температуры (для первого слоя). Для второго и третьего слоев динамика величины G носит немонотонный характер, при этом интенсивность амплитуды второго слоя почвы меньше амплитуды третьего слоя. Отмечена сильная корреляционная связь амплитуды и pH солевого плотного остатка, ЛОВ.

Постоянная быстрого компонента (а) увеличивается при температуре 200 0С (1 слой) и снижается при дальнейшем увеличении температуры прокаливания образцов почвы. Выявлены корреляции между величиной а и pH, гумусом, ЛОВ, подвижным фосфором (второй слой), калием (третий слой).

pH солевой увеличивается с ростом температуры для первого, второго, третьего слоев почвы, достигая максимального значения при температуре прокаливания почвы 8000С.

Подвижные фосфор и калий. Динамика подвижных форм фосфора и калия характеризуется значительным подъемом при температуре прокаливания почв 400-600 0С и дальнейшим снижением при температуре 8000С.

Аналогичный анализ проведен для чернозема обыкновенного и темно-каштановой почвы.

По данным термического анализа почв в интервале 200-400˚С происходит обезвоживание образца. Одновременно начинается частичное обугливание органических веществ почвы. В результате возрастает доля поглощенной световой энергии. При нагревании до 400˚С изменяется степень окисленности образца и частично разрушается органическое вещество. Одновременно происходит процесс окисления почвенного пигмента – соединений железа. Прокаливание при 600-800˚С сопровождается разрушением кристаллических решеток таких минералов, как каолинит и монтмориллонит, при этом увеличивается интенсивность свечения флуоресценции. Для всех типов и подтипов почв выявляется общая закономерность возрастания амплитуды быстрого компонента с ростом температуры прокаливания. Исследуемые почвы отличаются по показателям замедленной флуоресценции. Выявляется общая закономерность изменения замедленной флуоресценции в интервале температур прокаливания С, выраженная в увеличении интенсивности свечения черноземов обыкновенного и южного, темно-каштановой почвы. Быстрая постоянная а исследуемых почв, выдержанных при различных температурах прокаливания уменьшается при температуре 8000С по сравнению с исходным состоянием образцов почвы (увеличивается длительность свечения); в интервале температур прокаливания С быстрая постоянная, как правило, возрастает по сравнению с исходным состоянием образцов почв (длительность свечения уменьшается – происходит тушение флуоресценции). Содержание подвижных форм фосфора и калия увеличивается и достигает максимум при температурах 500-600°С. Это явление связано, по всей видимости, с тем, что при такой температуре происходит сублимация фосфора и калия. При температуре 800°С снижение содержания фосфора и калия связано с испарением этих элементов из почвы.

ГЛАВА 7. Системное моделирование как основной метод представления природных систем. В главе получены математические зависимости параметров кинетики замедленной флуоресценции (G) и (а) растений от физико-химических свойств почв на основании применения алгоритмов метода группового учета аргументов (МГУА).

Алгоритмы, реализующие МГУА, воспроизводят схе­му массовой селекции. В них есть генераторы услож­няющихся из ряда в ряд комбинаций и пороговые само­отборы лучших из них. Так называемое полное описа­ние объекта

заменяется несколькими рядами частных описаний:

Ряды селекции наращиваются до тех пор, пока критерий несмещенности решений падает . Нулевое значение оценки несмещенности достигается только при отсутствии помех в исходных данных и при решении задачи открытия законов и идентификации. На основании рассмотренного алгоритма разработана программа, реализующая метод группового учета аргумента.

Рисунок 7. Регрессионная зависимость параметра G замедленной флуоресценции листьев томата от химических свойств почв (по методу МГУА)

Учитывая, что почвенные факторы влияют на фотосинтетический аппарат растений, представляет значительный интерес моделирование влияния факторов почвенной среды на растения. Для определения исходных данных для моделирования растения выращивались на почвах с различными химическими показателями. Экспериментально определялись параметры кинетики замедленной флуоресценции растений (быстрая компонента (G) и быстрая постоянная (а)) и химические показатели почвы (Xi). Почвенные показатели принимались в качестве независимых параметров. Параметры кинетики флуоресценции (G и а) - в качестве зависимых от Xi величин. На рисунке 7 приведены результаты регрессионного анализа по методу МГУА для томата. Отмечены факторы влияющие на параметры ЗФ томата, это - сульфаты, хлориды, рН, ионы магния, цинка, фтор, гумус. Полученные результаты позволяют по заданным химическим свойствам почв, прогнозировать состояние фотосинтетического аппарата растений и соответственно урожайность посевов.

ГЛАВА 8. Моделирование процессов миграции тяжелых металлов в почвенно-растительных системах. В главе рассмотрены вопросы моделирования систем почва-растение. Теоретически получена линейная зависимость содержания тяжелых металлов в растениях и почве при стационарных процессах миграции. На основании вероятностного моделирования и применения теории стационарных марковских цепей получены зависимости для оценки риска загрязнения почвенно-растительных систем, получен и проанализирован комплексный коэффициент, характеризующий миграционные способности почвенно-растительных систем и проведена их классификация.

В процессе взаимодействия компонентов системы почва - корневая система - надземная часть растений друг с другом происходит перенос материи и энергии. Определим начальные условия следующим образом: 1) в начальный момент времени в систему (например, через атмосферу) введена С0 концентрация загрязняющего вещества; 2) между компонентами системы существует обмен веществом с различными интенсивностями: λ1 - интенсивность перехода вещества из почвы в корневую систему; λ2 - интенсивность перехода вещества из корневой системы в надземную часть растения; λ3 - интенсивность перехода вещества из надземной части растения в почву.

Будем характеризовать состояние системы вероятностями Р нахождения загрязняющего вещества в составных частях системы: Рп – вероятность нахождения загрязнителя в почве, Рк – вероятность нахождения загрязнителя в корневой системе растений, Рн – вероятность нахождения загрязнителя в надземной части растений. Сформулируем задачу следующим образом: определить концентрацию загрязняющего вещества, установившуюся в каждом из компонентов системы при условии стационарности интенсивностей перехода загрязняющего вещества из одного компонента в другой, при стремлении времени наблюдения в бесконечность.

Получим для Рп:

(5)

Аналогично, для состояний систем Рк(t) и Рн(t) запишем уравнения

(6)

(7)

Совокупность уравнений 5, 6, 7 образуют систему уравнений Колмогорова, в котором в качестве неизвестных величин фигурируют вероятности Рп, Рк, Рн. Как отмечалось выше, их можно интерпретировать как вероятности нахождения загрязняющих веществ в корневой системе, надземной части растений, почве. За перенос загрязнения из одной среды в другую отвечает различные процессы, такие как диффузия, сорбция, сухое, влажное осаждение и т. д. С течением времени, т. е. при t → ∞ в компонентах системы устанавливаются концентрации загрязняющих веществ в соответствии с финальными вероятностями Рп, Рк, Рн. После ряда преобразований, переходя от вероятностей к концентрациям получим:

;;. (8)

Полученные соотношения позволяют по известным интенсивностям переходов веществ в системе почва-растение определять преимущественное распределение веществ в подсистемах. Следует отметить, что интенсивности переходов определяются свойствами почв и растений.

Для интегральной оценки почвенно-растительных комплексов предложен показатель, учитывающий физико-химические свойства почв и растений. В качестве такого критерия выбран знаменатель в уравнениях (8).

Расчет интенсивностей переходов, характеризующий соотношение между содержаниями изучаемого химического элемента в растениях и в почве, показал, что интенсивность поглощения микроэлементов зависит от разновидностей растений. В результате теоретического моделирования процессов взаимодействия в системе почва-растение ранее были предложены системы уравнений для оценки риска загрязнения компонентов системы:

; ;

Результаты расчет риска загрязнения компонентов системы почва-растение представлены в таблицах 1, 2, 3 (фрагменты). Наибольший риск загрязнения медью надземной части растений наблюдается у татарника – 0,21 (почва темно-каштановая неполноразвитая), на других типах почв риск загрязнения татарника медью на порядок ниже. Минимальное значение риска загрязнения медью наблюдается у шалфея (чернозем южный), тысячелистника (чернозем типичный) и солодки (чернозем обыкновенный). Максимальное значение риска загрязнения цинком у полыни обыкновенной - 0,07 (чернозем обыкновенный), на других типах почв риск загрязнения ниже в 7 раз. Риск загрязнения цинком клевера лугового на всех исследуемых типах почв практически равен 0.

Таблица 1. Риск загрязнения надземной части растений тяжелыми металлами (фрагмент)

почва	растения	Cu	Zn	Pb	Ni	Cr	V	Ti	Mo	Ag	Ga	Ba	Zr	Mn
черно-зем южный	шалфей	0,01	0,01	0,0006	0,002	0,00015	0,00018	0,00005	0,03	0,0011	0,0009	0,0009	0	0,002
татарник	0,05	0,01	0,003	0,005	0,00011	0,00013	0,00005	0,04	0,0148	0,001	0,001	0	0,004
цикорий	0,04	0,02	0,07	0,016	0,017	0,0019	0,00077	0,11	0,4068	0,003	0,001	0	0,0002
полынь обыкновенная	0,03	0,01	0,004	0,008	0,0072	0,0006	0,00004	0,02	0,0931	0,0008	0,0007	0	0,005
тысячелистник	0,02	0,01	0,003	0,004	0,00019	0,001	0,00007	0,03	0,3723	0,0006	0,001	0	0,0005
одуванчик	0,03	0,01	0,008	0,006	0,00009	0,0009	0,00005	0,05	0,0447	0,001	0,0009	0	0,0006
клевер луговой	0,03	0	0,001	0,004	0,00018	0,0005	0,00011	0,65	0,0107	0,0003	0,0005	0	0,001
солодка	0,02	0	0,001	0,005	0,00008	0,00009	0,00002	0,1	0,015	0,0006	0,0004	0	0,002

подчеркнуто минимальное значение риска загрязнения,