CC BY
17
Научная статья
УДК 332.142.4.502.171:546.212
doi: 10.37670/2073-0853-2021-90-4-15-18
Мелиоративное состояние полей орошения газохимического комплекса
Асылхан Жолдасбаевич Калиев
Оренбургский государственный университет
Аннотация. Изучено влияние сточных вод Оренбургского газохимического комплекса на мелиоративное состояние полей орошения. Показано, что орошение сточными водами не оказало отрицательного влияния на пищевой режим южных чернозёмов, хотя содержание питательных веществ в них очень низкое. Это обстоятельство необходимо знать для оценки ирригационных качеств сточных вод. В целом при поливе сточными водами миграция и характер распределения солей и степень накопления отдельных ионов не отличались от варианта с поливом речной водой. Это объясняется режимом орошения и одинаковыми почвенными условиями. Отмечается вымывание солей кальция в нижележащие горизонты. Установлено, что более 60 % солей приходится на долю сульфатов, около 30 % составляют ионы натрия, 5 % - хлориды. Несмотря на то что наметилась тенденция к возникновению хлоридно-сульфатного типа засоления, можно считать почвы незасолёнными, но при использовании сточных вод для полива следует обратить внимание на накопление вышеназванных ионов.
Ключевые слова: поля орошения, газохимический комплекс, сточные воды, южные чернозёмы, солевой профиль, грунтовые воды.
Для цитирования: Калиев А.Ж. Мелиоративное состояние полей орошения газохимического комплекса // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 15 - 18. doi: 10.37670/2073-0853-2021-90-4-15-18.
Original article
Reclamation state of irrigation fields of the gas chemical complex
Asylkhan Zh. Kaliev
Orenburg State University
Abstract. The influence of waste waters of the Orenburg gas chemical complex on the reclamation state of irrigated fields has been studied. It is shown that irrigation with waste water did not have a negative effect on the nutritional regime of southern chernozems, although the content of nutrients in them is very low. This circumstance must be known to assess the irrigation qualities of wastewater. In general, during irrigation with waste waters, the migration and the nature of the distribution of salts and the degree of accumulation of individual ions did not differ from the variant with irrigation with river water. This is due to the irrigation regime and the same soil conditions. The washout of calcium salts into the underlying horizons is noted. It was found that more than 60 % of the salts are sulphates, about 30 % are sodium ions, 5 % are chlorides. Despite the fact that there is a tendency towards the emergence of chloride-sulfate type of salinity, the soils can be considered nonsaline, but when using wastewater for irrigation, attention should be paid to the accumulation of the above ions.
Keywords: irrigation fields, gas chemical complex, waste water, southern chernozems, salt profile, groundwater.
For citation: Kaliev A.Zh. Reclamation state of irrigation fields of the gas chemical complex. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 90(4): 15 - 18. (In Russ.). doi: 10.37670/2073-0853-2021-90-4-15-18.
Лимитирующим фактором экономического развития Оренбургской области является дефицит пресной воды, который связан с её огромным потреблением на нужды сельского хозяйства и промышленности. Сброс сточных вод в открытые водоёмы сопровождается ухудшением их качества. Использование сточных вод на полях орошения предотвращает загрязнение водоисточников и приводит к экономии пресной воды.
Основная цель исследований состояла в изучении влияния поливов сточными водами на мелиоративное состояние полей орошения. Использование полей орошения как главного барьера защиты водоисточников от загрязнения позволяет изменить направление исследований в поиске и разработке научно обоснованных методик оценки экологической и токсикологической опасности сбросов очищенных сточных вод городов и промышленных предприятий в водоёмы,
а также принципов организации мониторинга за сбросом. При этом одной из актуальных задач является всестороннее изучение мелиоративного состояния орошаемой территории, которое исключило бы попадание сточных вод в гидрографическую сеть.
Влиянию поливов сточными водами промышленных предприятий посвящены труды таких учёных, как М.Ф. Буданов [1], С.И. Репетун [2], Г.А. Шин [3] и др., которые пришли к выводу, что при этом происходит изменение катионно-анионного состава почвогрунтов, под влиянием процессов окисления органических веществ, нитрификации аммонийного азота и катионного обмена наблюдается изменение солевого состава почвы. Формирование состава почвенного раствора зависит от режима орошения и литологии, а также от природно-климатических и почвенных условий.
Материал и методы. Основой содержания работы послужили материалы полевых исследований, собранные в течение 2000 - 2010 гг.
Объектом изучения явились земледельческие поля орошения, расположенные на территории землепользования АО «Пугачёвское» Оренбургской области.
Стационарные полевые исследования проводили на южных чернозёмах центральной зоны Оренбуржья на посевах люцерны на сено и кукурузы на силос. Водно-физические свойства почвогрунтов изучали по объёмной и удельной массе, максимальной гигроскопичности, влажности устойчивого завядания, влажности разрыва капилляров, наименьшей влагоёмкости, механическому и агрегатному составу. При этом руководствовались методиками А.А. Роде [4] и В.С. Астапова [5].
Для полива использовались сточные воды, прошедшие механическую и биологическую очистку согласно принятой технологической схеме. Поливы осуществлялись дождевальными машинами «Фрегат». Нижний порог влажности был принят равным 75 - 80 % от наименьшей влагоёмкости на южных чернозёмах. Пригодность сточных вод оценивали на основе их химического состава. Определяли возможность осолонцевания и вторичного засоления, а также загрязнения грунтовых вод.
О. Израэльсен полагает, что умеренное содержание солей в поливной воде не только безвредно, но при определённых условиях оказывает и положительное воздействие на рост и развитие растений [6].
Содержание подвижных форм питательных веществ Р, К) в почве определяли ежегодно осенью согласно существующим методикам [7]. Пробы почвогрунтов на химический анализ отбирали при закладке опыта и ежегодно весной и осенью. Химический состав почвогрунтов в активном слое (1,5 - 2,0 м) изучали в начале и конце вегетационного периода. Химический анализ поливных вод проводили перед поливами по общепринятой методике [8].
Результаты исследования. За годы исследований в среднем на посевах кормовых культур при водопотреблении 620 - 640 мм на поливы приходилось 70,6 %, на осадки - 10 %, на использованные почвенные влагозапасы - 19,4 %. Потери составляли 16,5 % от суммарного водо-потребления.
Поливы сточными водами оказали влияние на интенсивность разложения органического вещества, распределение солей и питательных веществ по почвенному профилю. Исследования показали, что общие запасы подвижных форм азота, фосфора и калия практически не изменялись, т.е. при орошении сточными водами пищевой режим южных чернозёмов не ухудшался.
Растения могут выдержать высокое осмотическое давление при хорошо сбалансированном ионном составе. Ионы солей влияют на физико-химические свойства протоплазмы и активность ферментов, что может привести к нарушению водного режима и минерального питания, а также к изменению углеводно-белкового обмена и окислительно-восстановительного режима [9].
Изучение солевого баланса предусматривало определение прихода солей в расчётную толщу почвогрунтов, характер их распределения и состав. Поливы сточными водами оказали влияние на распределение ионов по почвенному профилю. За годы орошения сточными водами запасы солей увеличились в 2 раза. Накопление солей происходило по всему профилю, однако следует отметить высокий уровень концентрации солей в подпахотном горизонте 30 - 60 см, где их запасы составляли 9,6 т/га, или 22,4 % от пороговой концентрации. Больше всего накопилось хлоридов - 3,6 т/га, сульфатов - 2,2, натрия - 2,6, гидрокарбонатов - 0,85 т/га. В расчётный слой 0 - 150 см приход солей составлял 16,3 т/га. Более 70 % солей было обнаружено в зоне расположения корневой системы растений. Концентрация их не превышала пороговых значений и составляла около 20 % от предельно допустимых норм. Несоответствие катионного состава требованиям, предъявляемым к поливной воде, привело к неравномерной аккумуляции некоторых ионов. Следует отметить интенсивное накопление ионов сульфата как в растворённом виде, так и в виде гипса. В связи с этим общий запас ионов сульфата достигал 89 % от пороговой концентрации (ПДК), ионы натрия - 58, гидрокарбонаты - 33 и хлориды - 25 % от ПДК. Происходило выщелачивание солей в нижележащих горизонтах из слоя 100 - 200 см в основном за счёт сульфатов. Поэтому содержание их снизилось на 8,0 т/га. Наблюдалось выщелачивание и других ионов, что позволяет сделать вывод о загрязнении водоносных горизонтов солями, поступившими с инфильтрационной водой [10].
Анализ физико-химических свойств почв показал, что даже при небольшом засолении наблюдается процесс осолонцевания почв. Наличие и интенсивность этого процесса определялась по изменению поглощённых оснований. Так, количество поглощённого натрия за время исследования повысилось почти в 4,5 раза в верхнем 0 - 45 см слое. Общие их запасы в этом слое составляли 2,8 мг-экв а в нижележащих горизонтах до 1 м - около 4 мг-экв. Наличие ионов магния в почвенно-поглощающем комплексе (ППК) также способствовало началу процесса осолонцевания почв. Повышенное содержание поглощённых ионов натрия привело к снижению ионов кальция в метровом слое на 4,8 мг-экв, а в горизонте 45 - 75 см - на 6,8 мг-экв. Поступление сточных
вод в почву создало условие для обогащения её азотом почти в 2,8 раза. Накопление азота происходило в слое 1 м, что объясняется вымыванием азота из корнеобитаемого слоя. На полях орошения был создан кормовой севооборот, в состав которого входили такие культуры, как люцерна, вика и эспарцет, корневая система которых фиксировала азот из воздуха. По этой причине за годы орошения содержание азота в почве не уменьшилось. Произошло увеличение подвижных форм фосфора в верхних слоях почвы, что связано с минерализацией растительных остатков корневой системы.
Отмечалось снижение содержания калия в пахотном горизонте на 25 %, что объясняется вымыванием его растворимых форм со сточной водой. Не последнюю роль в этом процессе сыграло диспергирование почвенных агрегатов растворимыми ионами натрия, которые вытесняли ионы кальция из почвенно-поглощающего комплекса.
Орошение сточными водами оказало существенное влияние на водно-физические свойства почвогрунтов до глубины 1,0 - 1,2 м и агрегатного состава - до 60 см. В этом слое снизилось количество водопрочных агрегатов в слое 0 - 30 см на 11,2 %; в слое 30 - 60 см - на 42,3 %. В целом по этому профилю количество структурных частиц диаметром 0,25 - 0,5 мм уменьшилось в 2 раза. Ионы кальция в почвах полей орошения представлены солями Са(НСОз)2 и СаSO4. Отмечалось снижение гипса и сульфата магния при одновременном появлении таких соединений, как Мg(НСОз)2, №НСО3 и №С1. Эти соли являются токсичными, что говорит о негативном действии сточных вод на почвогрунты. Наличие ионов кальция связано с материнской породой участка орошения, а присутствие токсичных солей в виде хлористого натрия связано с поливами сточными водами газохимического комплекса, которые отличались высоким содержанием этих ионов.
Изучение динамики уровня и состава грунтовых вод участка орошения показало, что происходило пополнение запасов этих вод и изменение их химического состава. Это объясняется водопроницаемостью грунтов зоны аэрации и скоростью оттока грунтовых вод.
Поля орошения характеризуются пестротой уровня грунтовых вод, низкой водопроницаемостью грунтов зоны аэрации, а подземный отток отличается по скважинам. В связи с этим динамика химического состава в каждой скважине имела свои особенности.
Степень загрязнения грунтовых вод сточными водами зависит от качества очистки этих вод, водопроницаемости грунтов зоны аэрации и условий оттока грунтовых вод. При попадании загрязнённых вод происходит ухудшение мелиоративного состояния данной территории.
На исследуемой территории водопроницаемость грунтов зоны аэрации была невысокая, поэтому на террасе при неглубоком залегании грунтовых вод происходил их подъём, и верхняя граница капиллярной каймы достигала критического уровня. Установление влияния поливов сточными водами на мелиоративное состояние полей орошения и качество очистки их невозможно без определения водного баланса зоны аэрации и грунтовых вод.
Анализ гидрохимического режима грунтовых вод показал, что интенсивный подъём уровня грунтовых вод (УГВ) происходил на участках, близких к их залеганию. Отмечалось повышение минерализации вод в несколько раз. Накопление солей произошло за счёт ионов натрия, хлора, сульфатов и гидрокарбонатов при снижении ионов кальция. Ионы натрия достигали 1,8 мг-экв, сульфатов - 7,5 мг-экв, а количество магния практически не изменялось.
Химический состав грунтовых вод имел много общего с химизмом почвогрунтов на данном участке. Динамика химического состава грунтовых вод на территории полей орошения по скважинам имела свои различия по общей минерализации и ионному составу, так как мощность зоны аэрации в скважинах сильно отличалась. На водоразделе грунтовые воды находились на уровне 30 - 50 м, а на террасе и в пойме были несколько ближе к поверхности почвы. Также отмечалось различие водопроницаемости грунтов зоны аэрации и величины подземного оттока по скважинам.
Интенсивный подъём уровня грунтовых вод и изменение их химического состава произошли на террасе. Орошение сточными водами газохимического комплекса повысило минерализацию грунтовых вод на данной территории до 1,3 г/л за счёт ионов натрия, хлоридов, сульфатов и гидрокарбонатов. Нами установлено повышение концентрации ионов натрия в 1,2 раза до 4 мг-экв, хлоридов - до 1,7 мг-экв и сульфатов - до 7,5 мг-экв. Содержание ионов магния различалось по годам наблюдений.
При глубоком залегании грунтовых вод за годы орошения их уровни и соответственно минерализация практически не изменились. На пойме р. Чёрной динамика уровня грунтовых вод имела своеобразный характер. В двух скважинах, расположенных недалеко друг от друга, степень изменения химического состава была различной. В одной скважине происходило постепенное повышение минерализации грунтовых вод, а в другой она колебалась по годам. Увеличение общей минерализации происходило за счёт ионов натрия и гидрокарбонатов, что указывает на влияние поливных вод. Всё же на общий химизм грунтовых вод дренирующее влияние оказывала р. Чёрная. Это видно по по-
казателям минерализации речной воды, которая значительно превышала содержание солей в прилегающих скважинах. Уровни грунтовых вод на пойме реки ежегодно снижаются за счёт этой естественной дрены.
Выводы. Длительное орошение сточными водами газохимического комплекса при средней оросительной норме 330 - 360 мм на среднесу-глинистых почвах южных чернозёмов повышает плотность и уменьшает количество водопрочных агрегатов и водопроницаемость. По мере увлажнения почвенных агрегатов связи между ними ослабляются, и они распадаются на микрочастицы. Повышается подвижность органического вещества почвы, которое склеивает почвенные агрегаты, наметилась тенденция к накоплению их в верхних горизонтах почвы до 1 м. Основу их составляют соли натрия в виде №С1, NaSO4 и NaHCOз. Наблюдается изменение реакции почвенного раствора от нейтральной к щелочной. Повышается показатель ёмкости поглощения, что говорит о начале процесса осолонцевания. Снижается количество гипса и сульфата магния. Появляются токсичные соли натрия. Происходит вымывание азота в нижележащие слои, хотя в верхних слоях (пахотном горизонте) окислы азота удерживаются за счёт нитрофицирующих бактерий из-за освоения кормового севооборота, в состав которого входили зернобобовые культуры. Содержание фосфора почти не изменилось, некоторое увеличение связано с переходом его из органической формы при разложении корневых и растительных остатков. Интенсивный подъём грунтовых вод происходит на участках с близким залеганием грунтовых вод. На данной территории прослеживается повышение минера-
лизации за счёт ионов натрия и гидрокарбонатов. Последние поступают из материнской породы, а остальные - с фильтрационными водами.
Для прекращения негативных последствий эксплуатации полей орошения необходимо проводить дифференцированные поливы кормовых культур.
Литература
1. Буданов М.Ф. Система и состав контроля за качеством природных и сточных вод при использовании их для орошения. Киев: УкрНИИГиМ, 1970. 44 с.
2. Репетун С.И. Изменение солевого состава почвы при орошении промышленными стоками // Мелиорация и водное хозяйство (Киев). 1973. Вып. 26. С. 37 - 40.
3. Шин Г. А. Водно-солевой баланс грунтовых вод в условиях круглогодового орошения сточными водами на супесчаных почвах // Особенности формирования режима и баланса грунтовых вод при круглогодовом орошении сточными водами в различных гидрогеологических условиях. М.: Колос, 1965. С. 79 - 84.
4. Астапов С.В., Долгов С.И. Руководство по почвенно-мелиоративным исследованиям в степных и лесостепных районах европейской части СССР. М.: Сельхозгиз,1970. 256 с.
5. Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге: Т. 1, 2. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 950 с.
6. Израэльсен О. Теория и практика ирригации: пер. с англ. / под ред. С.П. Тромбаева. М.: Изд-во иностранной литературы, 1970. 350 с.
7. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1964. 398 с.
8. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных вод. М.: Химия, 1984. 118 с.
9. Шахов А.А. Солеустойчивость растений. М.: Изд. АН СССР, 1956. 556 с.
10. Калиев А.Ж. Последствия использования сточных вод газоперерабатывающих предприятий для орошения // Хозяйственно-питьевая и сточные воды. Проблемы очистки и использования: сб. науч. трудов. Пенза, 1996. С. 48 - 50.
Асылхан Жолдасбаевич Калиев, доктор сельскохозяйственных наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет». Россия, 460000, г. Оренбург, пр-т Победы,13, [email protected]
Asylkhan Zh. Kaliev, Doctor of Agriculture, Professor. Orenburg State University. 13, Pobedy Ave., Orenburg,
460000, Russia, [email protected]
-♦-
