CC BY
24
УДК 631.421
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ ИЗ ПОЧВЫ БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОРТАТИВНОЙ ДОЖДЕВАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Ю.П. СУХАНОВСКИЙ, доктор сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией (e-mail: soil-er@kursknet. ru)
B.А. ВЫТОВТОВ, старший научный сотрудник
Ю.А. СОЛОВЬЁВА, кандидат географических наук,
старший научный сотрудник
А.В. ПРУЩИК, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник
C.И. САНЖАРОВА, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник
А.Г. ТИТОВ, научный сотрудник
Всероссийский научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии, ул. Карла Маркса, 70б, Курск, 305021, Российская Федерация
Резюме. Исследования проводили с целью разработки методики определения потерь из почвы растворённых биогенных веществ, используя портативную дождевальную установку (ДУ). Работа основана на результатах более ранних экспериментальных исследований по определению потерь NO3, NH4, P2O5 и K2O; применяли разные ДУ и стоковые площадки. ¡Искусственный дождь имеет постоянную интенсивность I, капли одинакового диаметра D, которые падают с одной высоты H, производя капельную эрозию почвы. Для портативной ДУ D = 4,0 ± 0,3 мм, H = 1,0 м, I = 2-3 мм/мин. Выбор химического состава воды зависит от решаемой задачи. Стоковую площадку в форме круга создавали путем забивания в почву металлического цилиндра (высотой 20 см) с боковым водосливом (с диаметром 2,0 см). Поверхность почвы формировали в виде водосбора. Диаметр стоковой площадки (25 см) и высота ограждения (2-5 см) выбраны с позиции капельной эрозии. Измеряли интенсивность дождя, фиксировали начало стока, измеряли массу воды, стекающей с почвы за определенные интервалы времени. Воду фильтровали, и измеряли массу сухой почвы. Из дождевой и фильтрованной воды брали пробы для определения концентрации биогенных элементов. На примере конкретного эксперимента установлена зависимость потерь NO3, NH4, P2O5 (мг/м2) от слоя стока воды (мм), а также определены значения неизвестных величин в уравнении впитывающей способности почвы. Используя это уравнение и критерии подобия дождей, рассчитан слой стока для естественного дождя. По экспериментальной зависимости определены потери биогенных элементов для слоя стока этого дождя. Такая методика разработана впервые. Она существенно упрощает и уменьшает затраты на проведение экспериментов, результаты которых могут быть использованы для естественных дождей.
Ключевые слова: биогенные вещества, потери, поверхностный сток, методика, естественные и искусственные дожди, критерии подобия.
Для цитирования: Методика определения потерь из почвы биогенных веществ с использованием портативной дождевальной установки / Ю.П. Сухановский, В.А. Вытовтов, Ю.А. Соловьёва, А.В. Прущик, С.И. Санжарова, А.Г. Титов// Достижения науки и техники АПК. 2016. Т.30. №6. С. 68-71.
Естественные дожди, выпадая на пахотные склоны, могут вызывать поверхностный сток воды, в результате которого возможны потери почвы и растворённых биогенных веществ. Это, с одной стороны, ведёт к снижению плодородия почвы, с другой стороны, - к загрязнению водных объектов [1-5].
Для организации и проведения натурных наблюдений необходимы достаточно большие затраты. Поэтому для исследования этих процессов используют
дождевальные установки (ДУ) [6, 7]. Десятилетиями существовала проблема возможности применения полученных таким образом экспериментальных данных для естественных дождей. Было установлено [8], что эрозионная характеристика искусственного дождя A и эрозионный индекс естественного дождя AI - критерии подобия этих дождей для смыва почвы и её впитывающей способности. Между ними существует связь: AI = kA (k - постоянная величина), которая даёт возможность использовать экспериментальные зависимости и для естественных дождей. Разработка критериев подобия для потерь биогенных веществ из почвы - более сложная проблема. Во-первых, необходимо дополнительно учитывать химические свойства воды и почвы. Во-вторых, отсутствуют необходимые результаты натурных наблюдений, которые могут быть получены не скоро. Было установлено [9], что экспериментальные зависимости для биогенных элементов можно применять также и для естественных дождей. В ранее проведённых исследованиях были использованы разные ДУ и стоковые площадки, отработаны методические вопросы проведения экспериментов и интерпретации их результатов. При этом использование портативной ДУ значительно упрощает и сокращает затраты на проведение экспериментов.
Цель наших исследований - разработка методики определения потерь из почвы растворённых биогенных веществ с использованием портативной дождевальной установки. Для ее достижения решали следующие задачи: выбор параметров искусственного дождя, создание стоковой площадки, проведение измерений, обработка результатов измерений, интерпретация полученных данных.
Условия, материалы и методы. Методика разработана на основе многочисленных экспериментов, начиная с [10, 11]. В дальнейшем были получены результаты экспериментов с использованием ДУ (площадь стоковой площадки 3,0 м2) и портативной ДУ (площадь стоковой площадки 0,05 м2). Работу проводили в полевых и лабораторных условиях на чернозёмах и серых лесных почвах Курской области в паровом поле, в посевах озимой пшеницы и горчицы, на участках в состоянии залежи. Определяли потери NO3, NH4, P2O5 и K2O. Анализ содержания этих элементов в воде осуществляли в лаборатории агрохимии ФГБНУ ВНИИЗиЗПЭ. Все расчёты проводили с использованием Microsoft Excel. Методика основана на критериях подобия дождевых осадков и на гипотезе [9]: если на одну и ту же почву выпадают естественные и искусственные дожди с одинаковым химическим составом воды и они образуют одинаковый слой стока, то и потери биогенных элементов (с единицы площади) будут одинаковыми.
Результаты и обсуждение. В экспериментах по выбору параметров искусственного дождя использовали ДУ, создающую дождь с постоянной интенсивностью, с одинаковым размером капель, падающих с одной высоты и обеспечивающих капельную эрозию почвы. Для такого монодисперсного дождя эрозионная характеристика A (Дж/м2) имеет следующий вид [8]:
Рис. 1. Портативная дождевальная установка.
A(t) = Uvi2at,
(1)
где р - плотность воды, кг/м3; V - скорость падения капель при их ударе о почву, м/с; I - интенсивность дождя, м/с; ? - продолжительность выпадения осадков, с.
Зная плотность воды р (кг/м3) и массу капли Р (кг), диаметр капли С (м) рассчитывали по формуле массы шара, то есть С = [6Р/(пр)]1/3, где п = 3,14.
Осуществив такие измерения для разных ка-плеобразователей ДУ, оценивали средний диаметр капель и стандартное отклонение, которое характеризует варьирование размера капель. В проведённых исследованиях с портативной ДУ (рис. 1) С = 4,0 ± 0,3 мм.
Скорость падения капель с погрешностью 4,4% рассчитана по формуле Даскалова [8]. В наших экспериментах 1д = 2-3 мм/мин, высота падения капель Н = 1,0 м обеспечивала их скорость V = 4,1 м/с. Естественные дожди содержат разные химические элементы, концентрации которых изменяются в относительно большом интервале значений [12]. Поэтому выбор химического состава воды для искусственного дождя зависит от конкретной задачи. Проведённые эксперименты показали, что в стекающей воде концентрация биогенных элементов может как возрастать (в результате поступления из почвы), так и уменьшаться (из-за их перехода из поверхностного потока в почву).
Для создания стоковой площадки и отбора почвенных монолитов использовали металлический цилиндр с боковым водосливом (рис. 2). В поле этот цилиндр забивали в почву. Если проведение эксперимента планировали в лаборатории, то монолит почвы вместе с
цилиндром выкапывали и в дальнейшем устанавливали на почву (см. рис. 2). Поверхность почвы монолита создавали в форме водосбора с замыкающим створом на месте отверстия водослива. При дождевании должно происходить только безнапорное впитывание(без образования луж). Размеры стоковой площадки и высота её ограждения выбраны из условия, что при ударе капель о почву основная масса продуктов разбрызгивания должна оставаться на стоковой площадке. Эта масса разлетается на расстояние примерно до 10 см, а средний угол вылета (у) задан зависимостью [13]: ctg (у) = 23[(gD)/V2]1/4, где g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения. Для D = 4,0х10-3 м и V = 4,1 м/с рассчитанный угол у = 11o. Выбраны следующие размеры: диаметр цилиндра - 25 см (площадь круга S = 0,05 м2), отверстие для водослива диаметром 2,0 см, высота ограждения у водослива - 5 см, на противоположной стороне - 2 см, высота цилиндра - 20 см. Далее, для лучшего понимания, методика изложена на примере эксперимента, проведённого в лаборатории с монолитом чернозёма, взятым на многофакторном полевом опыте ФГБНУ ВНИИЗиЗПЭ (бессменный пар, Курская область, Медвенский район).
При проведении измерений все данные записывали в журнал. Вначале определяли интенсивность дождя, который падал на цилиндрический резервуар с водосливом и площадью сечения S = 0,05 м2. Стекающая вода за время At = 0,5 мин попадала в стандартные пластиковые стаканы, после чего измеряли её массу. Измерения проводили в 10-кратной повторности. Затем дождь подавали на исследуемый монолит, этот момент времени принимали за начало отчёта, то есть за t = 0. Фиксировали время начала стока t = 2 мин, и под водослив ставили пустой стакан. Далее через каждые Ati = 2 мин стакан заменяли другим. Измеряли массу стекающей мутной воды. Когда расход этой воды приближался к стабилизации, то в измерениях делали перерыв на 4-6 мин. После перерыва осуществляли еще 3 замера. Такую последовательность действий повторяли до полной стабилизации расхода воды. Затем повторно измеряли интенсивность дождя. Мутную воду фильтровали, фильтры с почвой высушивали и определяли массу сухой почвы. Из дождевой и фильтрованной воды отбирали пробы для химического анализа.
Для обработки результатов измерений из массы мутной воды вычитали массу сухой почвы. Интенсивность дождя (/д, мм/мин) и поверхностного стока
Рис. 2. Металлический цилиндр для создания стоковой площадки.
слоя стока 10 мм, после чего практически стабилизировались. Зависимость для N03 имела промежуточный характер. При этом следует отметить, что для естественных дождей Центрального Черноземья слой стока, как правило, не превышает 10 мм.
Для монодисперсного дождя (с постоянной интенсивностью) впитывающая способность почвы [8]:
к = куст + Ккр - куст)ехр[-
а(Л/Лкп - 1)]
(4)
где К
уст
К„п - интенсив-
кр
Рис. 3. Экспериментальная зависимость потерь из почвы биогенных элементов от слоя стока воды: 1 - Р205; 2 - N0' 3 - ЫН4.
ность впитывания,соответственно, установившаяся и в начале стока (при достижении Л значения А ),
кр
(/ст, мм/мин) для /-го измерения рассчитывали по формуле:
/ = О, /Б, (2)
где О1 - средний расход воды за интервал времени Д^, л/мин; Б - площадь водосбора, м2.
Впитывающую способность почвы (К,) определяли как разность между интенсивностью дождя и интенсивностью стока, то есть К = /д - /ст/. Потери биогенного элемента со стоком воды рассчитывали по формуле: т, = (с, - ол)0/Б, (3)
где т1 - средние потери за интервал времени Д^., мг/(м2мин); с,, сд - концентрации биогенного элемента, соответственно, в стоке за Д^. и в дождевой воде, мг/л; О1 и Б - то же, что в формуле (2).
Для интервала времени, когда был перерыв в отборе стекающей воды, величины /ст/ и т1 рассчитывали как средние для соседних интервалов времени. Для каждого интервала Д^. рассчитывали слой стока Дhi = /стД и количество потерь биогенного элемента ДМ, = тД. Кумулятивные значения этих величин определяли как их суммы за все предыдущие интервалы времени. По формуле (1) рассчитывали Акр для ? =
для ? = I,, здесь соответ ствует времени окончания интервала Д^..
Интерпретация полученных результатов показала, что в начале эксперимента интенсивность дождя составляла /д,нач = 1,80 ± 0,05 мм/мин, в конце /дкон = 1,77 ± 0,04 мм/мин, то есть в пределах стандартного отклонения она была постоянной.
В результате исследований были установлены экспериментальные зависимости потерь из почвы азота и фосфора (рис. 3). Для Р205 с увеличением слоя стока воды потери постоянно возрастали. Для N1— потери возрастали до
мм/мин; а - неизвестный безразмерный параметр, характеризующий почву.
По данным измерений Ккр = /днач = 1,80 мм/мин;Акр = 2,2х10-4 Дж/м2, Куст = 0,20 ±0,01' мам/мин (рассчитано при /д кон = 1,77 мм/мин). Справедливо соотношение Л/ (т-м/га) = 2,3х104А (Дж/м2) [8]. Запись «т-м» выражает энергию как произведение тонны-силы на метр, принятую в эрозионных расчётах [14]. Из этого соотношения следует, что в уравнении (4) А/Акр можно заменить на А1/А/кр. От рассчитанных ранее значений Акр и был сделан переход к А/кр = 5,1 т-м/га и А/. Оценку неизвестного значения а проводили из условия минимума средневзвешенного относительного отклонения:
есв(%) = 100Е8,ш , (5)
где 8, = аЬ5(Крас, - Kизм,/)/Kизм,/, Ш = Кизм,, Е - суммирование по всем измерениям; аЬв() - абсолютное значение выражения в скобках; Кизм, и Крас, -измеренная и соответствующая ей рассчитанная по (4) впитывающая способность почвы. Выбор весовой функции Ш' повышает точность уравнения (4) в области
больших значений К
что важно для естественных
'«р и
Рис. 4. Зависимость от времени: 1 - интенсивности естественного дождя (/); 2 - впитывающей способности почвы для этого дождя (К).
дождей. В результате получено, что а = 0,63 при 8св = 7,6%. Если в эксперименте не было достигнуто установившееся впитывание, то будут два неизвестных параметра: а и Куст. Их значения также оценивали из условия минимума средневзвешенного относительного отклонения (5).
В качестве примера мы использовали уравнение (4) для естественного дождя со слоем осадков 45,8 мм, выпавших за 98 мин. По данным наблюдений интенсивность (/) естественного дождя задавали рядом её значений за разные интервалы времени. В результате был построен ряд значений /^ через интервал времени Д^. = 1 мин (номер У определяет количество минут, прошедших с начала выпадения дождя). По формулам [8], используя /,, рассчитан ряд кумулятивных значений А/. По этим рядам определено, что для А/кр = 5,1 т-м/га соответствуют ?кр = 5 мин и /кр = Ккр = 0,88 мм/мин. Далее по уравнению (4) рассчитан аналогичный ряд значений К. Таким образом, с интервалом через 1 мин получены ряды значений
/,, А/' и К. Для этого дождя на рис. 4 представлена зависимость интенсивности дождя (/,) и впитывающей способности почвы (К) от времени (?,).
При Д^. = 1 мин слой стока h (мм) = Е(/, - К), где Е - суммирование проводится только для тех слагаемых, для которых (/, - К) > 0. Результаты расчёта показали, что h = 26,2 мм. Используя линейную интерполяцию, по данным на рис. 3 определено, что этому слою стока соответствуют следующие потери биогенных элементов: Р205 - 5,4 мг/м2; N03 -2,5 мг/м2; N1— - 1,5 мг/м2.
Выводы. Разработанная методика упрощает и уменьшает затраты на проведение экспериментальных исследований потерь из почвы биогенных веществ с дождевым стоком. Полученные экспериментальные зависимости могут быть использованы и для естественных дождей. Такая методика разработана впервые и может найти широкое применение в решении задач, связанных с плодородием почв и загрязнением водных объектов.
Литература.
1. Хрисанов Н.И., Осипов Г.К. Управление эвтрофированием водоемов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 278 с.
2. Агробиогеохимический цикл фосфора / под ред. А.Л. Иванова. М.: Россельхозакадемия, 2012 г. 512 с.
3. Литвин Л.Ф., Кирюхина З.П. Почвенно-эрозионная миграция биогенов и загрязнение поверхностных вод// Эрозия почв и русловые процессы. 2004. Вып. 14. С. 35-45.
4. Никитишен В.И., Никитишена И.А., Шабанова Н.И. Вымывание нитратов и потери азота в условиях интенсивного применения удобрений // Круговорот и баланс азота в системе почва-удобрение-растение-вода. М.: Наука, 1979. С. 288-294.
5. Кумани М.В. Оценка влияния сельскохозяйственного производства на сток органических и биогенных веществ в р. Псел // Водные ресурсы. 2004. Том 31. № 1. С. 85-90.
6. Сысуев В.В. Моделирование процессов в ландшафтно-геохимических системах. М.: Наука, 1986. 301 с.
7. Smith Douglas R., Elizabeth A. Warnemuende-Pappas Vertical tillage impacts on water quality derived from rainfall simulations // Soil and Tillage Research, 2015. Vol. 153, p. 155-160. [Электронный ресурс]. URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/ pii/S0167198715000859(дата обращения: 17.05.2016).
8. Сухановский Ю.П. Модификация методики дождевания стоковых площадок для исследования эрозии почв // Почвоведение. 2007. №2. С. 215-222.
9. Оценка потерь биогенных веществ с использованием портативной дождевальной установки/Ю.П. Сухановский, В.А. Вы-товтов, Ю.А. Соловьева, А.В. Прущик, С.И. Санжарова //Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 8. С. 15-18.
10. Метод дождевания в почвенно-эрозионных исследованиях / Ю.П. Сухановский, А.И. Санжаров, С.И. Санжарова, В.Б. Горин, В.А. Агарков, Г.А. Чуян, Т.В. Карпинец, Ю.А. Виноградов/ Под ред. В.М. Володина и Ю.П. Сухановского. Курск: Изд. центр «ЮМЭКС», 1999. 68 с.
11. Методика дождевания стоковых площадок для исследования эрозионных процессов / Ю.П. Сухановский, А.И. Санжаров, О.Г. Чуян, Е.П. Проценко, Н.В. Рязанцева, А.А. Проценко, С.С. Балабанов, В.Б. Горин/Под ред. Ю.П. Сухановского. Курск: ВНИИЗиЗПЭ РАСХН, 2005. 32 с.
12. Кузнецов М.С., Демидов В.В. Эрозия почв лесостепной зоны центральной России: моделирование, предупреждение и экологические последствия. М.: Изд-во ПОЛТЕКС, 2002. 184 с.
13. Мирцхулава Ц.Е. Водная эрозия почв. Тбилиси: Мецниереба, 2000. 424 с.
14. Wischmeier W.H., Smith D.D. Predicting rainfall erosion losses //Agricultural handbook. Washington. 1978. No. 537. 65 р.
METHOD FOR DETERMINATION OF BIOGENIC SUBSTANCES LOSSES FROM SOIL
USING A PORTABLE SPRINKLER
Yu.P. Sukhanovskii, V.A. Vytovtov, Yu.A. Solov'eva, A.V. Prushchik, S.I. Sanzharova, A.G. Titov
All-Russia Research Institute of Arable Farming and Soil Erosion Control, ul. Karla Marksa, 70b, Kursk, 305021, Russian Federation Summary. The aim of the study was the development of method for determination of the loss of dissolved biogenic substances from soil using a portable sprinkler. The work was based on the results of previous experiments directed to the determination of losses of NO3, NH4, P2O5 and K2O; different sprinklers and runoff plots were used. An artificial rainfall has constant intensity I, drops of equal diameter D, which fall down from a height H causing raindrop soil erosion. For a portable sprinkler D = 4.0 ± 0.3 mm, H = 1.0 m, I = 2-3 mm/min. The choice of chemical water composition depends on the task. The runoff plot was made in the form of a circle by sinking a metal cylinder (20 cm high) with a lateral outlet (2.0 cm diameter). The soil surface was made in the form of a watershed. The runoff plot diameter (25 cm) and the barrier height (2-5 cm) were chosen considering raindrop erosion. The rainfall intensity was measured, the runoff start was recorded, the weight of the water running off the soil for time intervals was measured. The water was filtered and the weight of dry soil was measured. The rainfall water and the filtered one were tested to determine the concentration of biogenic elements. The specific experiment was taken as an example, the dependence of the loss of NO3, NH4, P2O5 (mg/m2) on the water runoff layer (mm) was obtained, the magnitudes of the unknown values in the equation of soil infiltration capacity were determined as well. Using this equation and similarity criteria for rainfalls a runoff layer was calculated for a natural rainfall. The losses of biogenic elements for the runoff layer of that rainfall were determined by the experimental dependence. Such method was developed for the first time. The method significantly simplifies the process and decreases the expenditures for conducting the experiments, the results of which can be used to study natural rainfalls.
Keywords: : biogenic substances, losses, surface runoff, method, natural and artificial rainfalls, similarity criteria. Author Details: Yu.P. Sukhanovskii, D. Sc. (Agr.), head of laboratory (e-mail: soil-er@kursknet.ru); V.A. Vytovtov, senior research fellow; Yu.A. Solov'eva, Cand. Sc. (Geog.), senior research fellow; A.V. Prushchik, Cand. Sc. (Agr.), senior research fellow; S.I. Sanzharova, Cand. Sc. (Biol.), leading research fellow; A.G. Titov, research fellow.
For citation: Sukhanovskii Yu.P., Vytovtov V.A., Solov'eva Yu.A., Prushchik A.V., Sanzharova S.I., Titov A.G. Method for Determination of Biogenic Substances Losses from Soil Using a Portable Sprinkler. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2016. V.30. No. 6. Pp. 68-71 (in Russ.).
