CC BY
13
УДК 631.421 DOI 10.24411/0235-2516-2019-10092
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ В ДОЖДЕ БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ НА ИХ ПОТЕРИ ИЗ ПОЧВЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ДОЖДЕВАНИЯ
Ю.П. Сухановский, д.с.-х.н., А.В. Прущик, к.с.-х.н., В.А. Вытовтов, А.Г. Титов
Курский федеральный аграрный научный центр, e-mail: soil-er@kursknet.ru
Проведен эксперимент с использованием метода дождевания и портативной дождевальной установки. Подготовлены три одинаковых почвенных образца в металлических цилиндрах, имеющих боковой водослив. Подготовлены три варианта дождевой воды с разным содержанием биогенных элементов: 1 — дистиллят, 2 — дистиллят + 1 доза минеральных удобрений, 3 — дистиллят + 2 дозы минеральных удобрений. Проведено орошение каждого почвенного образца. Для химического анализа взят поверхностный сток с почвы (1,3 дм3). Определено содержание биогенных элементов (NH4, NO3, K2O, P2O5) в дождевой и в стекающей воде, а также в почве. Рассмотрены случаи, когда концентрация биогенного элемента в стекающей воде была: 1) больше, чем в дожде (его запасы в почве уменьшились); 2) меньше, чем в дожде (его запасы в почве увеличились). Проведен анализ погрешностей. Сделан вывод: увеличение в дождевой воде концентрации биогенного элемента привело к переходу от увеличения к уменьшению его концентрации в воде, стекающей с поверхности почвы.
Ключевые слова, биогенные вещества, потери из почвы, содержание в дожде, метод дождевания, анализ погрешностей.
STUDYING OF INFLUENCE OF BIOGENIC SUBSTANCES CONTENT IN RAINWATER ON IT'S REMOVAL FROM SOIL BY SPRINKLING METHOD
Dr.Sci. Yu.P. Sukhanovskii, Ph.D. A.V. Prushchik, V.A. Vytovtov, A.G. Titov
Federal Agricultural Kursk Research Center, e-mail: soil-er@kursknet.ru
An experiment with the application of the method of sprinkling and a portable sprinkler is conducted. Three similar soil samples are prepared in metallic cylinders with a lateral weir. Three variants of rainwater with different content of biogenic substances: 1 - distilled water, 2 - distilled water + single rate of mineral fertilizers, 3 - distilled water + double rate of mineral fertilizers are prepared. Sprinkling of every soil sample is carried out. For chemical analysis surface runoff from the soil is taken (1.3 l). The content of biogenic elements (NH4, NO3, K2O, P2O5) in the rainwater, the runoff water and in the soil is determined. The cases when the concentration of biogenic elements in the runoff water was: 1) more than in the rainwater (biogenic supplies in the soil decreased); 2) less than in the rainwater (biogenic supplies in the soil increased) are considered. Errors are analyzed. A conclusion is drawn: the increase of biogenic element content in rainwater resulted in the transition from the increase to the decrease of its content in the water running off the soil surface.
Keywords: biogenic substances, removal from the soil, content in rainwater, sprinkling method, error analysis.
Эрозию почвы ФАО (Продовольственная и Сельскохозяйственная Организация ООН) определила как перемещение почвенных частиц, почвенных агрегатов, органического вещества и питательных веществ с поверхности земли тремя основными путями: водой, ветром и обработкой почвы. Эрозия отнесена к десяти главным угрозам для почвы [1, 2]. Потери из почвы растворимых форм биогенных веществ с дождевым поверхностным стоком определяют уменьшение запасов питания для растений и загрязнение водных объектов [3]. Стратегия научно-технического развития Российской Федерации [4] на ближайшие 10-15 лет определяет «переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству». Для тако-
го перехода необходимы знания о почвенных процессах, в частности, о процессах переноса биогенных веществ между почвой и поверхностным потоком воды, образованным дождевыми осадками. Для разработки математических моделей этих процессов и нормативов, как элементов методологии формирования комплексов противоэрозионных мероприятий, требуются многолетние данные натурных наблюдений [5]. Отсутствие таких данных для условий России тормозит познание этих процессов. Как следствие, тормозит принятие адекватных практических мер (разработку требуемых агротех-нологий). В настоящее время для экспериментальных исследований существует метод физического моделирования дождевых осадков (метод дождева-
ния) [6]. Он основан на критериях подобия искусственных и естественных дождей и является единственным методом, который дает возможность для естественных дождей использовать экспериментальные данные, полученные для искусственных дождей. Два вида переноса растворенного вещества в воде определяют массообмен на границе раздела двух сред - почвы и поверхностного потока дождевой воды. Конвекция - вместе с впитываемой водой в почву поступает биогенный элемент. Это не влияет на изменение концентрации биогенного элемента в стекающей с почвы воде. Диффузия -перемещение этого элемента при наличии градиента (разности) его концентраций в окрестности границы раздела сред. Если скорость диффузии направлена из почвы и она больше скорости конвекции, то происходят потери из почвы биогенного элемента (в стекающей воде концентрация этого элемента увеличивается). В противном случае концентрация в потоке воды уменьшается, а в воде почвы она увеличивается. Происходит глобальное загрязнение атмосферы и осаждение (в частности, с дождевыми осадками) загрязнителей на поверхность земли [7]. Среди основных источников загрязнения атмосферы указаны удобрения, используемые на сельскохозяйственных угодьях. По данным С.А. Михайлова [5], в дождевой воде наблюдались следующие концентрации: аммонийного азота 0,6-2,7 мг/дм3; калия 0,1-6,0 мг/дм3; фосфатов 0,0-0,3 мг/дм3; нитратного азота 0,1-1,2 мг/дм3. Следовательно, при оценке потерь из почвы какого-либо вещества необходимо учитывать его содержание в дождевой воде.
Цель исследования - экспериментальное подтверждение, что, увеличивая в дождевой воде концентрацию биогенного элемента, можно перейти от увеличения к уменьшению его концентрации в воде, стекающей с поверхности почвы.
Объект и методы. Объектом исследования были процессы переноса биогенных веществ между почвой и поверхностным дождевым потоком воды. Основным методом исследования является метод дождевания стоковых площадок [6]. Потери из почвы биогенного элемента определяет уравнение:
где: т - потери с единицы площади почвы биогенного элемента, кг/м2; АС - изменение концентрации в стоке этого элемента, связанное с его экстракцией (извлечением) из почвы, кг/м3; V - объем стекающей воды, м3; 5" - площадь поверхности почвы, м2; к - слой стока, м.
Изменение концентрации АС определяет уравнение:
д с= с
(2)
кг/м3; Сдож - концентрация в дождевой воде, кг/м3. Из (2) следует: 1) при Ссток > Сдож (АС > 0) почва теряет биогенный элемент; 2) при Ссток < Сдож (АС < 0), наоборот, в почве увеличивается содержание биогенного элемента (за счет его содержания в дождевой воде); 3) при отсутствии в дождевой воде биогенного элемента (Сдож = 0) почва всегда будет его терять (АС = Ссток > 0).
Уравнение (1) можно записать в следующем виде:
X Н,
(3)
т = — X С
X к — КЭКС X Споч
где: Ссток - средняя для объема V (или для слоя стока к) концентрация в стекающей с почвы воде,
(4)
где: Споч - концентрация в почве биогенного элемента, кг/кг, КЖс - коэффициент экстракции, определяющий долю концентрации биогенного элемента в почве, которую поверхностный поток воды извлекает (экстрагирует) из почвы и которая определяет в стекающей воде изменение концентрации АС, кг/м3.
Учитывая, что 1 л водного раствора с высокой точностью численно равняется 1 кг, уравнение (3) и равенство (4) можно записать в более удобных размерностях:
где: т - потери из почвы биогенного элемента, мг/м2; Кэкст - коэффициент экстракции; Споч - концентрация в почве, мг/кг; к - слой стока, мм; АС -изменение концентрации в стекающей воде, мг/дм3.
При Кэкст > 0 почва теряет биогенный элемент, а при Кэкст < 0, наоборот, она его получает из дождевой воды. Равенства (5) и (6) справедливы для естественных и искусственных дождей. Ранее проведенные эксперименты подтвердили линейную зависимость (5) т от слоя стока к (для его определенных интервалов значений). Это означает, что при постоянной концентрации Споч значение КЖс не зависит от слоя стока.
Были подготовлены три одинаковых почвенных образца (почва - чернозем типичный тяжелосуглинистый) в одинаковых металлических цилиндрах с боковым водосливом (рис. 1). Размеры цилиндра следующие: диаметр 25,0 ± 0,1 см, высота 20,0 ± 0,1 см. Для уменьшения концентрации Сдож в (2) использована дистиллированная вода (дистиллятор Д3-4-2м), полученная из водопроводной сети. Подготовлены три варианта дождевой воды: первый -дистиллят, второй - дистиллят с добавкой одной дозы минеральных удобрений (нитроаммофоски), третий - дистиллят с двойной дозой тех же удобрений. Одна доза увеличивает в дождевой воде содержание удобрений в расчете на 2,5 мг/дм3 действующего вещества.
Для создания искусственного дождя использована портативная ДУ [8] (рис. 2): диаметр капель
4,0 ± 0,3 мм, высота падения 1,0 м, скорость падения при ударе о почву 4,2 м/с. Для всех вариантов отбирали одинаковый (необходимый для химических анализов) объем воды 1,3 л, соответствующий поверхностному слою стока к = 26 мм. Продолжительность дождя была 17 ± 2 минуты, продолжительность стока 15 ± 2 минуты. Для достаточной степени очистки воды от почвенных частиц использовали метод осаждения и метод центрифугирования [9]. Проведены измерения: концентрации биогенных элементов (N03, КШ, Р2О5, К2О) в почвенных образцах, в дождевой и в стекающей воде; исходной влажности и плотности почвы; размеров и веса пустых металлических цилиндров и их веса с почвой; интенсивности дождей.
Методы оценки погрешностей. Содержание биогенных элементов в почве определено по ГОСТ [10-12], в воде по ПНД [11, 12]. В этих методах приведены только интервалы, соответствующие вероятности 0,95. Эти интервалы приняты за интервалы абсолютной погрешности. Для проведенных повторных измерений за абсолютную погрешность принято стандартное отклонение. Для однократных измерений принята абсолютная погрешность инструмента (прибора). Погрешность для рассчитанных по формулам значений, например, для двух переменных (7 = ^(Х1, Х2)) рассчитана по формуле:
ДУ = \ К™ (Л ± &х±,хг ± ах2) -
-^мин(Х^АХ^Х, ±М2)], (7) где: Д7 - абсолютная погрешность для рассчитанного значения 7, ^мак() - максимальное значение функции X - значение первой переменной, ДХ - абсолютная погрешность для Х1, Х2 — значение второй переменной, ДХ2 - абсолютная погрешность для Х2, ^мин() - минимальное значение функции Значения ^мин()
и ^мак() определяют, соответственно, нижнюю и верхнюю границу интервала погрешности. Подобно формуле (7), можно оценить погрешность для функций с количеством переменных больше двух. Относительная погрешность (%) записана в следующем виде:
5 = аЬя (юо^-), (8)
где: аЬ8() - абсолютное значение выражения в скобках. Относительная погрешность 3 (8) оценивает (в процентах) долю абсолютной погрешности Д7 в значении 7. Остальную долю (100 - 3) определяет оцениваемая величина 7. При 3 = 100% доля оцениваемой величины равняется нулю, т.е. при 3 > 100% значение 7 является недостоверным.
Результаты и их обсуждение. Эксперименты проведены в лабораторных условиях при температуре воздуха (24 ± 2)°С, дождевой воды (20 ± 2)°С,
Рис. 1. Почвенный образец в металлическом цилиндре с боковым водосливом
1. Цилиндр; 2. Почвенный образец; 3. Крышка,
предотвращающая попадания капель; 4. Боковой водослив; 5. Емкость для сбора стока
1
2
Рис. 2. Портативная дождевальная установка
1. Рама; 2. Бак для воды; 3. Поплавковая камера; 4. Узел с дождевателями; 5. Рабочая поверхность с дождевателями, расположенными по спирали Архимеда, 6. Устройство для удаления воздуха из дождевателей; 7. Автоматическое раскачивающее устройство
почвенного образца (20 ± 2)°С. В таблице 1 представлены данные для трех почвенных образцов. Все образцы сделаны из одной тщательно перемешанной почвы и проанализированы. Химические анализы выполнены специалистами Станции агрохимической службы «Курская».
Данные таблицы 1 показывают, что условия проведения дождевания всех почвенных образцов были практически одинаковыми, исключая содержание биогенных элементов в дождевой воде. Результаты измерений и расчетов представлены в таблице 2, из данных которой следует, что были
1. Плотность, влажность почвы и интенсивность дождя на разных вариантах эксперимента
Характеристика Номер образца
1 2 3
Плотность почвы, г/см3 1,28±0,01 1,27±0,02 1,23±0,04
Влажность почвы, % 16,7±0,2 16,3±0,2 16,8±0,6
Интенсивность дождя, мм/мин 1,89±0,02 1,89±0,03 1,90±0,03
Варианты Дистиллят (контроль) Дистиллят + 1 доза* Дистиллят + 2 дозы*
* минеральных удобрений.
2. Полученные экспериментальные данные
Почвенный Параметр NN4 N03 К2О Р2О5
образец
Сдож, мг/дм3 0,46±0,09 0,73±0,15 1,2±0,24 1,06±0,21
5, % 20 20 20 20
Ссток, мг/дм3 0,17±0,03 0,93±0,19 0,93±0,19 2,32±0,23
1 5, % 18 20 20 10
АС, мг/дм3 -0,29±0,12 0,20±0,34 -0,27±0,43 1,26±0,44
5, % 41 170 159 35
Кэкс -0,090±0,024 0,0025±0,0048 -0,0025±0,0038 0,0082±0,0039
5, % 26,8 189 151 48
Сдож, мг/дм3 1,43±0,29 0,66±0,13 1,44±0,29 7,18±0,72
5, % 20 20 20 10
Ссток, мг/дм3 0,49±0,10 0,53±0,11 1,21±0,24 5,60±0,56
2 5, % 20 20 20 10
АС, мг/дм3 -0,94±0,39 -0,13±0,24 -0,23±0,53 -1,58±1,28
5, % 41 185 230 81
Кэкс -0,292±0,079 -0,0016±0,0028 -0,0021 ±0,0047 -0,0103±0,0072
5, % 27 174 223 70
Сдож, мг/дм3 3,26±0,46 0,87±0,17 5,40±0,76 9,99±1,00
5, % 14 20 14 10
Ссток, мг/дм3 2,04±0,29 0,20±0,15 3,78±0,53 7,44±0,74
3 5, % 14 75 14 10
АС, мг/дм3 -1,22±0,75 -0,67±0,32 -1,62±1,29 -2,55±1,74
5, % 61 48 80 68
Кэкс -0,38±0,18 -0,0084±0,0028 -0,0150±0,0105 -0,0166±0,0094
5, % 47 34 70 57
Контроль Споч, мг/кг 3,22±0,49 79,7±12,0 108±10,8 154±18,8
5, % 15 15 10 12
Примечания: ± абсолютная погрешность; 5 - относительная погрешность.
случаи, когда почва теряла биогенный элемент (его концентрация в стекающей воде была больше концентрации в дождевой воде (Соток - Сдож = АС > 0, как следствие и КЖс > 0). Также были случаи, когда почва, наоборот, получала этот элемент (АС < 0 и Кэкс < 0). Знак у коэффициента Кэкс показывает направление процесса (потерю или получение почвой биогенного элемента), а его значение количественно оценивает процесс. Для дождевания почвенного образца 1 в качестве дождя использована дистиллированная вода. Значения Сдож показывают, что в ней содержатся биогенные элементы. Для дождевания почвенного образца 2 использовали ту же дистиллированную воду, но с добавлением одной дозы растворенных минеральных удобрений. Концентрация Сдож увеличилась для КЩ и Р2О5, а для N03 и К2О в пределах погрешности она не изменилась. Для дождевания почвенного образца 3 в
дистиллированную воду добавили двойную дозу тех же удобрений. По сравнению с концентрацией для образца 2 концентрация Сдож N03 не изменилась (в пределах погрешности), а для других элементов она увеличилась.
Биогенный элемент КШ. Для образца 1 (дистиллированная вода) концентрация Сдож = 0,46 мг/дм3 была настолько большая, что почва получала КШ из дождевой воды (Кэкс = -0,090 < 0). Для образцов 2 и 3 увеличение концентрации NH4 в дождевой воде привело к увеличению получения почвой этого биогенного элемента (значения коэффициента Кэкс, соответственно, -0,292 и -0,38). Из трех значений Кэкс для КЩ все достоверные и отрицательные. Биогенный элемент N03. Для образца 1 (дистиллированная вода) концентрация Сдож = 0,73 мг/дм3. Значение Кэкс = 0,0025 определено с относительной погрешностью 5 = 189% > 100%. Оно недостоверное, исключено из
анализа. Для образца 2 аналогично: Сдож = 0,66 мг/дм3, Кэкс = -0,0016, 5 = 174% > 100%.
Значение Кэкс исключено из анализа. Для образца 3 Сдож = 0,87 мг/дм3, значение Кэкс = -0,0084 является достоверным. Из трех значений только одно достоверное. Биогенный элемент К2О. Из трех значений Кэкс только одно достоверное Кэкс = -0,0150 для образца 3. Биогенный элемент Р2О5. Для всех трех образцов значения Кэкс достоверные и равны, соответственно, 0,0082, -0,0103, -0,0166. Все значения концентрации Р2О5 в дождевой воде также достоверные и равны, соответственно, 1,06, 7,18, 9,99 мг/кг. Вывод: при увеличении концентрации Р2О5 в дождевой воде произошел переход от увеличения (Кэкс > 0) к уменьшению (Кэкс < 0) его концентрации в воде, стекающей с поверхности почвы. Такая экспериментальная закономерность массообмена между почвой и потоком воды согласуется с теоретическим представлением о диффузии и конвекции.
Из уравнений (7) и (8) следует, что для АС относительная погрешность определяется зависимостью:
6 = аЪэ {100 , (9)
где: ДСсток, ДСдож - абсолютные погрешности, соответственно, Ссток, Сдож. Из (9) следует, что с умень-
шением разницы (Ссток - Сдож) увеличивается относительная погрешность 5, что может привести к недостоверности значений АС и Кэкс. Наименьшая погрешность будет при отсутствии в дожде биогенных элементов (Сдож = ДСдож = 0). Из уравнений (2) и (6) следует, что в таком случае всегда будут потери из почвы биогенного элемента (Кэкст > 0). Анализы дистиллята, полученного из воды городского водопровода в разные года и месяцы, показали, что содержание биогенных элементов изменяется непредсказуемо. По этой причине в проведенных ранее экспериментах погрешности больше 100% были для разных биогенных элементов.
Таким образом, проведенные эксперименты подтвердили, что увеличение в дождевой воде концентрации биогенного элемента привело к переходу от увеличения к уменьшению его концентрации в воде, стекающей с поверхности почвы.
Работа выполнена в соответствии с Программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 гг. (Пункт Х 10.2 Земледелие, направление 142, тема № 06322019-0017).
Литература
1. Concept note / Global Symposium on Soil Erosion (GSER19), 15-17 May 2019, FAO headquarters, Rome, Italy. URL: http://www.fao.org/3/CA3232EN/ca3232en.pdf.
2. Литвин Л.Ф., Кирюхина З.П. Почвенно-эрозионная миграция биогенов и загрязнение поверхностных вод / Эрозия почв и русловые процессы. - М.: МГУ, 2004. - С. 45-63.
3. Подлесных И.В., Зарудная Т.Я. Оценка влияния противоэрозионных комплексов для сокращения выноса из аг-роландшафтов биогенных веществ в весенним стоком // Агрохимический вестник, 2019, № 4. - С. 24-27.
4. Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации: Указ Президента РФ от 1 декабря 2016 г. № 642. URL: https://reestr.extech.ru/docs/sntr.pdf.
5. Михайлов С.А. Диффузное загрязнение экосистем. Методы оценки и математические модели. // Экология. Серия Аналитических обзоров мировой литературы, 2000, № 56. - С. 1-130. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=8818792.
6. Сухановский Ю.П., Вытовтов В.А., Соловьева Ю.А., Прущик А.В., Санжарова С.И., Титов А.Г. Методика определения потерь из почвы биогенных веществ с использованием портативной дождевальной установки // Достижения науки и техники АПК, 2016, Т. 30, № 6. - С. 68-71.
7. Status of the World's Soil Resources (SWSR) - Main Report. Food and Agriculture Organization of the United Nations and Intergovernmental Technical Panel on Soils, Rome, Italy, 2015. - 650 p. URL: http://www.fao.org/3Zi5199e/I5199E.pdf.
8. Вытовтов В.А., Сухановский Ю.П., Прущик А.В. Патент на полезную модель 184625 Рос. Федерации: МПК A01G 25/00 Портативная лабораторно-полевая дождевальная установка / заявитель и патентообладатель ФГБНУ Курский НИИ АПП. № 22012145695/13; заявл. 03.04.2018, опубл. 01.11.2018, бюл. № 31.
9. Сухановский Ю.П., Вытовтов В.А., Титов А.Г., Рязанцева Н.В. Изучение влияния содержания в почве биогенных веществ на вынос их растворимых форм методом дождевания // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии, 2018, № 7. - С. 14-19. DOI: 10.18411/issn1997-0749.2018-07-03.
10. ГОСТ-26951-86 Определение нитратов ионометрическим методом. URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-26951-86.
11. ГОСТ-26489-85 Определение обменного аммония по методу ЦИНАО URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-26489-85.
12. ГОСТ-26204-91 Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Чирикова в модификации ЦИНАО URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-26204-91.
13. Определение анионов в воде Методика М 01-30-2009 ПНД Ф 14.1:2:4.157-99 URL: http://docs.cntd.ru/document/1200080615.
14. Определение катионов в воде Методика М 01-31-2011 ПНД Ф 14.1:2:4.167-2000 URL: http://docs.cntd.ru/document/1200079417.
