АГРОХИМИЯ, 2014, № 3, с. 60-68
Агроэкология
УДК 546.56:631.445.57:631.67(620)
МИГРАЦИЯ МЕДИ В АРИДНЫХ ПОЧВАХ ЕГИПТА, ОРОШАЕМЫХ ПРИРОДНЫМИ И ГОРОДСКИМИ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ*
© 2014 г. А.С. Фрид1, А.В. Шуравилин2, М.А. Гома Ботхина Саад2, Т.И. Борисочкина1
1Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН 119017Москва, Пыжевский пер., 7, Россия 2Российский университет дружбы народов 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 8/2, Россия E-mail: asfrid@mail.ru
Поступила в редакцию 01.07.2013 г.
Апробированы математические модели миграции меди в орошаемых аридных почвах Египта. Показана адекватность модели диффузии либо конвективной диффузии в зависимости от почвы и качества оросительных вод. Коэффициенты диффузии (или конвективной диффузии) оказались довольно высокими, что свидетельствовало о слабой сорбции меди почвой в изученных условиях. Прогноз на 100 лет орошения показал существенный рост загрязнения почв при использовании городских сточных вод.
Ключевые слова: медь, орошение, природные и городские сточные воды, математические модели миграции, прогноз загрязнения почв.
ВВЕДЕНИЕ
Сточные воды - это воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека [1]. Городские сточные воды обычно содержат большое количество тяжелых металлов (ТМ) (СИ, Си, Fe, Мп, №, РЬ, 2п), поэтому их использование для орошения и удобрения на сельскохозяйственных угодьях может приводить к накоплению в почвах ТМ. Считается, что накопление происходит в основном в пахотном слое, но зачастую городские сточные воды используют многие столетия, и загрязнение затрагивает более глубокие слои почвы. Безусловно, степень загрязнения зависит от способов орошения, сорбционной способности почв по отношению к ТМ, характеристик самих сточных вод.
Хорошо известна способность меди связываться с органическими соединениями, что должно сказываться на ее миграционной подвижности. Показано, что в почвах медь накапливается преимущественно в виде фракций, связанных с органическим веществом и железистыми минералами [2, 3]. Считается, что поглощенная органическим веществом
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (проект № 11-04-00651-а).
медь трудно вымывается из почвы. В то же время, как отмечал Д.С. Орлов [4], транспортная функция сравнительно легкорастворимых комплексных соединений гумусовых кислот с металлами [5] до некоторой степени противостоит аккумулятивной функции, и эта противоречивость обеспечивает многообразие влияния гуминовых веществ на минеральные компоненты почв.
В работах [6, 7] изучены лизиметрические воды в бурых лесных и бурых горно-лесных почвах Сихотэ-Алиня (Дальний Восток России) в зоне действия предприятия цветной металлургии. Диапазон кислотности лизиметрических вод - от кислых до слабощелочных. Интенсивные муссон-ные дожди способствуют промыванию почв, что является некоторым аналогом орошения. Установлено, что загрязняющие почву ТМ в лизиметрических водах в заметной степени находились в тонковзвешенном, предколлоидном и коллоидном состояниях, что способствовало их миграции в глубь почвы.
Для сорбции катионных форм элементов, коагуляции коллоидов существенное значение имеет концентрация солей в оросительной воде и почве. Это хорошо показано в модельных опытах с карбонатными почвами Узбекистана на примере 9^г, 60Со [8], когда использование минерализован-
ной воды заметно ускоряло миграцию элементов в глубь почвы по сравнению с пресной водой.
В Египте преобладает орошаемое земледелие с использованием речных и грунтовых вод. По причине их недостатка дополнительно используются сточные воды, в том числе городские. Влияние последних на плодородие почв, включая их загрязнение, изучено недостаточно [9], причем основное внимание уделено степени загрязнения почв [10]. В то же время изучение скорости миграции тяжелых металлов в почвах имеет самостоятельный интерес, т. к. позволяет прогнозировать глубину загрязнения почв во времени.
Цель работы - оценка адекватности применения миграционных моделей к передвижению ТМ по профилю почв Египта при длительном орошении природными и городскими сточными водами (на примере меди).
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Полевые экспериментальные исследования проводили в Египте, в районе г. Александрия. Две площадки расположены на аллювиальных почвах озерного происхождения (суглинки легкие песчаные): староорошаемая речными водами более 40 лет и орошаемая городскими сточными водами г. Александрия, прошедшими механическую и биологическую очистку, в течение 20 лет (участок 1).
Другие 2 площадки расположены в оазисе Ливийской пустыни на супесчаной желто-бурой пустынной почве: орошаемая грунтовыми водами до 30-40 лет и орошаемая теми же городскими сточными водами в течение 20 лет (участок 2).
Отбор почвенных образцов производили как по горизонтам, так и по слоям. Так как на данных площадках загрязнение явно проникало глубже пахотного слоя, для моделирования можно было использовать данные для всех изученных слоев почвы до 150 см. Исследования проводили в течение 3-х лет. Данные по содержанию меди в слоях почвы усредняли за эти 3 года. На 2-х участках выращивали кукурузу на зеленую массу. Повторность каждого варианта трехкратная, площадь одной делянки 168 м2 (5.6 х 30 м).
Оросительная норма за вегетационный период (около 3-х мес.) в среднем за 3 года составила для аллювиальной почвы 6800, для пустынной -8400 м3/га.
Валовое содержание ТМ в почве определяли полуколичественным методом спектрального анализа, фракционный состав - по А. Tessier и др. [11]
(обменные - 1М СН3COONH4 при рН 7.0; сорбированные на карбонатах - то же при рН 5.0; связанные с органическим веществом - 30%-ным Н2О2 при рН 2.0-3.0, затем 3.2М СН3COONH4 в 20%-ной НК03; осадочную фракцию - с оксидами и гидро-ксидами Fe и Мп - NH2OH + НС1 + СН3СООН при рН 3.0; остаточную фракцию - ТМ в алюмосиликатах - 7М НК03). Для меди валовое содержание и сумма фракций были близкими между собой. В табл. 1-3 приведены основные характеристики почв и оросительных вод.
Оценка адекватности моделей миграции меди в почвах опыта. Учитывая условия проведения эксперимента, подбирали начальные и граничные условия для диффузионной и конвективно-диффузионной моделей, которые и испытывали в дальнейших расчетах.
Диффузионная модель, постоянный поток вещества (Т0) на поверхности полубесконечной среды (в данном случае - почвы), осредненное поступление вещества за поливной сезон на весь год:
дР „ д2Р
при
= Б ■
I = 0,
дt дх2
Р (х > 0) = 0, при х = 0 - поток = Т0;
решение уравнения:
Р(х, 0 = 2Т0 • У((БО/г) • ехр(-х2/(40^) -- Т0 • х • егГф/УфО) [12],
где Р(х, 0 - концентрация вещества в почве, Б -коэффициент диффузии вещества в почве в целом, усредненный по глубине и времени опыта, х - расстояние от поверхности почвы, t - время от начала опыта.
Конвективно-диффузионная модель с массооб-меном вещества на поверхности полубесконечной среды (с тем же осреднением на весь год):
дР
дt
= Бк
д2Р
дх2
дР
- V ■— при t = 0,
дх
дР
Р(х > 0) = 0, при х = 0 - Бк • — + V • Р = V • Р,
дх
0?
решение уравнения:
- Р(х, 0 = 0.5Р0 • * ег£е
X ехр
х - Vt
2Щ?)
+ 2V■д/^/(гБк)) X
X ехр
х + V ■ t + -
Бк
V
X
[13],
Ас / " ^-/СДкО/} где Бк - коэффициент конвективной диффузии, V -скорость переноса вещества в почве с потоком влаги,
к»
Таблица 1. Агрохимическая характеристика почв по горизонтам почвенных разрезов на начало исследования (2008 г.)
Горизонт, глубина, см Гумус СаС03 РНн2о N гидро-лизуемый Р205 подвижный К20 обменный Сумма поглощенных оснований Обменные катионы
% Са Мё № К
мг/кг мг-экв/100 г
Разр. 1. Аллювиальная почва, многолетний полив речной водой
Ап, 0-25 2.15 10.5 7.8 7.5 12.5 301 41.2 22.3 11.4 6.5 1.0
А2В, 25-33 1.76 11.2 8.0 6.8 9.51 261 39.0 22.1 10.0 6.1 0.8
В,33-70 1.23 10.2 7.9 6.3 8.42 230 35.8 22.4 7.4 5.3 0.7
ВС, 70-95 0.88 12.3 8.1 4.2 8.3 160 32.5 21.6 5.5 4.9 0.5
С, >95 0.62 15.7 8.2 2.4 7.42 96 30.9 21.4 4.4 4.8 0.3
Разр. 2. Аллювиальная почва, многолетний полив сточными водами
Ап, 0-30 2.37 10.2 7.9 8.3 13.5 335 44.2 23.9 11.5 7.0 1.8
А2В,30-40 2.02 11.3 8.2 7.5 10.2 290 41.5 23.5 10.0 6.6 1.4
В,40-73 1.25 11.5 8.0 6.2 9.8 260 38.6 24.6 7.0 5.8 1.2
ВС, 73-95 0.89 13.5 8.2 5.3 8.2 180 34.2 21.8 6.3 5.1 1.0
С, >95 0.64 15.2 8.2 3.5 8.1 110 32.5 21.6 5.3 4.8 0.8
Разрез 3. Желто-бурая пустынная почва, многолетний полив грунтовой водой
Ап, 0-12 1.36 25.5 8.2 6.2 8.2 223 19.5 12.5 5.2 1.4 0.4
А2В, 12-36 1.12 28.2 8.3 5.2 3.5 194 17.6 10.4 5.0 1.7 0.5
В, 36-80 0.95 30.5 8.1 4.2 2.8 131 16.2 9.2 4.8 1.8 0.4
ВС, 80-125 0.63 31.3 8.0 3.1 1.5 81.5 13.9 6.7 4.6 1.9 0.7
С, >125 0.42 31.5 8.1 2.4 0.8 45.8 11.5 4.4 4.4 2.0 0.7
Разр. 4. Желто-бурая пустынная почва, многолетний полив сточными водами
Ап, 0-19 1.57 28.1 8.2 7.1 9.5 250 22.5 15.0 5.4 1.5 0.6
А2В,19-39 1.35 19.5 8.1 5.1 4.5 210 19.5 12.0 5.2 1.6 0.7
В,39-80 1.06 30.1 8.2 3.5 3.2 141 18.2 11.1 4.9 1.7 0.5
ВС, 80-125 0.61 33.5 8.3 2.6 2.3 91.5 15.2 7.8 4.7 2.0 0.7
С, >125 0.47 35.2 8.0 1.9 1.2 43.2 13.7 6.5 4.6 2.2 0.4
Таблица 2. Плотность почвы и солевой состав водной вытяжки по горизонтам почвенных разрезов на начало исследования (2008 г.)
Горизонт, глубина, см Плотность почвы, г/см3 Сумма анионов Сумма катионов Сумма солей, % от почвы ЕС, Б/т БАЯ
мг-экв/100 г почвы
Разр. 1. Аллювиальная почва, многолетний полив речной водой
Ап, 0-25 1.25 5.14 5.11 0.334 0.42 1.32
А2В, 25-33 1.32 4.80 4.76 0.311 0.37 1.42
В, 33-70 1.35 4.63 4.80 0.303 0.32 1.28
ВС, 70-95 1.40 4.35 4.31 0.286 0.30 1.13
С, >95 1.45 3.94 4.00 0.255 0.28 1.09
Разр. 2. Аллювиальная почва, многолетний полив сточными водами
Ап, 0-30 1.22 6.64 6.34 0.43 0.51 1.45
А2В, 30-40 1.28 6.33 6.24 0.41 0.45 1.39
В, 40-73 1.34 5.99 5.86 0.39 0.43 1.23
ВС, 73-95 1.43 5.58 5.46 0.36 0.39 1.15
С, >95 1.45 5.30 5.19 0.34 0.35 1.10
Ап, 0-12 А2В, 12-36
B,36-80 ВС, 80-125
C, >125
Разр. 3. Желто-бурая пустынная почва, многолетний полив грунтовой водой
1.38
1.39 1.41 1.43 1.45
7.67 7.03 6.19 5.31 4.48
7.67 7.01 6.19 5.35 4.50
0.49 0.44 0.40 0.34 0.29
0.61 0.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.