ИСТИНА

Миграция пестицидов в почве проходит на фоне их разложения и осуществляется, в основном, за счет конвекции с потоком воды. И в модельной, и в реальной почве равномерный фронт передвижения раствора наблюдается редко. Конвективный перенос осложняет специфическое почвенное явление – дисперсия, которая описывается коэффициентом «шаг смешения». Чем более неоднородно поровое пространство почвы, чем извилистее поры, тем выше этот параметр. Еще более осложняет движение пестицидов в почве явление быстрого переноса веществ по макропорам с преимущественными потоками. Поэтому, кроме свойств самого вещества, при описании миграции пестицидов необходимо учитывать и почвенные параметры массопереноса. Однако, при определении этих параметров возникает “проблема масштаба”. Наиболее остро эта проблема стоит для процедуры параметризации и настройки математических моделей, описывающих миграцию пестицидов. Лабораторные фильтрационные эксперименты с почвенными монолитами разного размера двух противоположных по гранулометрическому составу почв позволят определить основные гидрохимические параметры почв, проследить движение воды и пестицидов. С помощью физически обоснованных моделей будет описана миграция пестицидов и проведен поливариантный прогноз для определения условий в наибольшей степени увеличивающих миграцию пестицидов в почвах. Лизиметрические эксперименты с Большими лизиметрами МГУ позволят оценить количество вымытого из почвенного профиля пестицида в реальных условиях в двух вариантах: с поливом и без полива. Полевые опыты с красящим раствором и деляночные опыты с подвижным пестицидом покажут наличие преимущественных потоков и их воздействие на миграцию. Таким образом будет описан механизм миграции подвижных пестицидов в структурных агрегированных почвах. При помощи математических моделей предполагается количественно оценить вклад гидрохимических параметров массопереноса в общую миграцию пестицидов. Планируемые фундаментальные исследования позволят разработать методическую базу и алгоритмы определения гидрохимических параметров массопереноса почв для целей описания миграции пестицидов с использованием инструментов математического моделирования.

Migration of pesticides in the soil occurs along with their decomposition and is carried out, mainly, by convection with the flow of water. In both model and real soils, a uniform movement front of the solution is rarely observed. Convective transfer complicates a specific soil phenomenon - variance, which is described by the "dispersivity length" coefficient. The more heterogeneous the pore space of the soil, the more tortuous the pores, the higher this parameter. Even more complicating the movement of pesticides in the soil is the phenomenon of rapid transport of substances through macropores with preferential flow. Therefore, in addition to the properties of the substance itself, when describing the migration of pesticides, it is also necessary to take into account the soil parameters of mass transfer. However, when determining these parameters, a "scale problem" arises. This problem is most acute for the procedure of parametrization and adjustment of mathematical models describing the migration of pesticides. Laboratory filtration experiments with soil monoliths of different sizes of two soils, which are opposite in grain size, will determine the main hydrochemical parameters of soils, trace the movement of water and pesticides. With the help of physically grounded models, the migration of pesticides will be described and a multivariate forecast will be carried out to determine the conditions most increasing the migration of pesticides in soils. Lysimetric experiments with large lysimeters of the Moscow State University make it possible to estimate the amount of a pesticide washed out from the soil profile under real conditions in two versions: with irrigation and without irrigation. Field experiments with the color solution and field experiments with a mobile pesticide will show the presence of preferential flows and their effect on migration. Thus, the mechanism of migration of mobile pesticides in structured aggregated soils will be described. With the help of mathematical models it is supposed to quantify the contribution of hydrochemical parameters of mass transfer to the overall migration of pesticides. The planned fundamental research will allow to develop a methodological basis and algorithms for determining the hydrochemical parameters of mass transfer of soils for the purpose of describing the migration of pesticides using tools of mathematical modeling.

Запланированные на 2018-2019гг работы предполагают следующие этапы: (1) Будет проведен анализ мировой литературы по теме «Передвижение пестицидов в почве и его прогнозирование методом физически обоснованного моделирования» и подготовлен к печати литературный обзор, включающий в себя анализ направлений, методик и подходов и перспектив исследований в этой области. (2) На уже разработанных в 2016-17 годах почвенных объектах, для которых были проведены полевые и лабораторные исследования базовых свойств почв – морфологии, профильного распределения плотности, коэффициента фильтрации, отобрать насыпные образцы и почвенные монолиты, различного размера для получения выходных кривых ионов, определены гранулометрический, структурный составы почв, содержание углерода, рН и других химических характеристик. Эти анализы с опорой на уже имеющиеся данные будут основой для дальнейших экспериментов. (3) Будут проведены работы по изучению пространственного распределения физических, свойств почв для больших монолитов. Будет выполнен полевой заливочный эксперимент для получения динамики влажности почвы по профилю почвы. Будет использоваться визуальная метка (бриллиантовый синий). (5) Будет проведен лизиметрический эксперимент по миграции подвижного пестицида на Больших лизиметрах МГУ для вариантов нормального сложения почв. (6) Будет проведен двухгодичный деляночный эксперимент по миграции подвижных действующих веществ пестицидов. Для подвижного инсектицида (например, циантралинипрола и метрибузина) будет показать влияние специфических почвенных свойств (строение порового пространства, наличие преимущественных потоков и т.д.) на его миграцию с помощью различных методов, применяемых в исследованиях оценки опасности пестицидов (лабораторные колоночные эксперименты, полевые деляночные и лизиметрические на Больших лизиметрах МГУ). Результаты прямых исследований подвижности пестицида будут соотнесены с методом физически обоснованного моделирования (для балансовых и дифференционных моделей, использующих и не использующих описание преимущественных потоков). Поскольку, как было отмечено выше, миграция пестицидов в почве проходит на фоне их разложения и осуществляется, в основном, за счет конвекции с потоком воды. В модельной, и в реальной почве равномерный фронт передвижения раствора наблюдается редко. Конвективный перенос осложняет специфическое почвенное явление – дисперсия, которая описывается коэффициентом «шаг смешения». Чем более неоднородно поровое пространство почвы, чем извилистее поры, тем выше этот параметр. Еще более осложняет движение пестицидов в почве явление быстрого переноса веществ по макропорам с преимущественными потоками. Поэтому, кроме свойств самого вещества, при описании миграции пестицидов необходимо учитывать и почвенные параметры массопереноса. Однако, при определении этих параметров возникает огромная как фундаментальная, так и прикладная проблема ―проблема масштаба. Наиболее остро эта проблема стоит для процедуры параметризации и настройки математических моделей, описывающих миграцию пестицидов. Поэтому, лабораторные фильтрационные эксперименты с почвенными монолитами разного размера двух противоположных по гранулометрическому составу почв позволят определить основные гидрохимические параметры почв, проследить движение воды и пестицидов. С помощью физически обоснованных моделей будет описана миграция пестицидов и проведен поливариантный прогноз для определения условий в наибольшей степени увеличивающих миграцию пестицидов в почвах. Лизиметрические эксперименты с Большими лизиметрами МГУ позволят оценить количество вымытого из почвенного профиля пестицида в реальных условиях в двух вариантах: с поливом и без полива. Полевые опыты с красящим раствором и деляночные опыты с подвижным пестицидом покажут наличие преимущественных потоков и их воздействие на миграцию. Таким образом будет описан механизм миграции подвижных пестицидов в структурных агрегированных почвах. При помощи математических моделей предполагается количественно оценить вклад гидрохимических параметров массопереноса в общую миграцию пестицидов. Планируемые фундаментальные исследования позволят разработать методическую базу и алгоритмы определения гидрохимических параметров массопереноса почв для целей описания миграции пестицидов с использованием инструментов математического моделирования. Полученный фактический материал по поведению пестицидов в почвах в условиях лизиметрических, лабораторных и полевых опытов может быть использован для решения конкретных задач при оценке риска применения данного пестицида в окружающей среде. Также результат настройки математических моделей MACRO и PEARL может быть использован для создания стандартных почвенно-климатических сценариев для территории Российской Федерации. В существующий на сегодняшний день подход к оценке экологической опасности пестицидов в окружающей среде для целей их государственной регистрации необходимо добавить новые варианты внесения пестицидов, при которых риск загрязнения объектов окружающей среды будет выше (например, введение сценария погодных данных для трещиноватых почв с засушливым вегетационным сезоном и обильными поливами, когда миграция по преимущественным путям в почве токсикантов будет максимальной). Результаты работы должны быть направлены на развитие технологий рационального природопользования в области мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды. Так, все полученные данные будут представлены в виде базы данных (сценарии почв, погоды и др.) – платформы для параметризации и настройки новых моделей. Данная платформа будет единственным в РФ средством по адаптации физически обоснованных математических моделей. Логичным продолжением данной работы станет составление Базы Данных по стандартным сценариям основных сельскохозяйственных регионов РФ для математических моделей, наилучшим образом описывающих миграцию токсикантов в почвах (особенно в трещиноватых). Для каждого региона необходимо иметь почвенный сценарий, параметры развития основных культур и ежедневные погодные условия. Составление подобных стандартных сценариев должно опираться на экспериментальный материал. Модели должны быть параметризированы, настроены по экспериментальному материалу и проверены на другом независимом эксперименте.

Полученные результаты лабораторных и полевых экспериментов по миграции пестицида циантранилипрола в суглинистых почвах Московской области позволяют оценить значимость преимущественных потоков влаги в миграции пестицидов в почвах тяжелого гранулометрического состава и могут быть использованы для решения прикладных задач при оценке риска применения исследуемого пестицида в окружающей среде и принятия управленческих решений для снижения вероятности негативных последствий. Материалы по адаптации и настройке математических моделей, используемых при регистрационных испытаниях в Российской Федерации, возможно применить для создания новых стандартных почвенно-климатических сценариев для имеющихся и новых прогностических моделей.Рекомендуется использовать в качестве «наихудшего случая» при оценке риска для дерново-подзолистых почв Московской области разработанный сценарий входных данных с внесением пестицида в самый холодный и влажный год (оценка за вегетационный период), а также почвенное экспериментальное обеспечение, полученное в рамках данной работы, с учетом варьирования значений шага смешения по профилю почвы.

1. На миграцию пестицидов и их вынос с нижней границы профиля суглинистых почв Московской области наибольшее влияние оказывают четыре основных входных параметра почвенного блока модели PEARL: плотность почвы, содержание органического вещества, коэффициент фильтрации почв и шаг смешения. Значения шага смешения, определенные в лабораторных экспериментах, зависят от размера почвенных монолитов и изменяются от 1 до 64 см для агродерново-подзолистой почвы, и от 2 до 9 см – для аллювиальной серогумусовой почвы, что обусловлено пространственной неоднородностью порового пространства горизонтов изученных почв. Применение нового метода определения шага смешения в полевых условиях с использованием вещества-метки Brilliant Blue выявило значимость преимущественных потоков влаги в массопереносе, особенно в нижних горизонтах почв с призмовидной структурой. 2. На основании лабораторных исследований переноса пестицида циантранилипрола установлено, что в агродерново-подзолистой почве наблюдался перенос вещества по макропорам в отличии от аллювиальной серогумусовой почвы. Полевые исследования миграции циантранилипрола показали, что максимальная глубина 24 проникновения пестицида в почвенном профиле агродерновоподзолистой почвы была 25 см. Через год после повторного внесения остаточные количества пестицида в почве составила 42% от внесенной дозы. Максимальная глубина миграции циантранилипрола в почвенном профиле лизиметров достигла 50 см. Причем наибольшая концентрация пестицида определена в поверхностном слое. Через год после повторного внесения в почве остаточные количества пестицида не превысили 50% от внесенной дозы. К концу первого года исследования и до окончания эксперимента во всех отобранных водных образцах лизиметрического стока был обнаружен циантранилипрол. Это позволяет утверждать, что существует вероятность попадания среднеподвижного пестицида в грунтовые воды. 3. Использование полученных в полевых условиях значений шага смешения, составивших 2-22 см, для моделирования миграции пестицида циантранилипрола в агродерново-подзолистой почве привело к уменьшению ошибки прогноза, в отличии от рекомендованного в стандартных сценариях модели PEARL значения. 4. На основании экспериментально полученных значений миграции пестицида и свойств почвы создан и адаптирован стандартный сценарий, позволяющий повысить точность прогноза при возможной экологической оценке риска с помощью физически обоснованных математических моделей.