CC BY
66
ЭКОЛОГО-АГРОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОСВ И ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ____________________________
МОНИТОРИНГ СТОКА БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
П.А. Суханов, Ш.Т. Даишев, А.Ю. Перцович, В.Н. Соболева
Государственный центр агрохимической службы «Ленинградский» М. Хоффман, Й. Деелстра, Н. Бергман (Сканагри Свиден)
В Ленинградской области 5,4 % местного стока (1,25 км3/год) формируется на сельскохозяйственных водосборах и подвержено загрязнению. С 1990 по 1996 г. происходило резкое снижение интенсивности сельскохозяйственного производства. Анализ ситуации по базовым хозяйствам показал, что к 1996 г. внесение органических удобрений сократилось в 12 раз, минеральных - в 35 раз, плотность поголовья скота уменьшилась в 3,5 раза, от 40 до 60 % пашни трансформировалось в залежь и лугопастбищные угодья, работы по техническому обслуживанию мелиоративных систем были прекращены. В связи с тем, что систематические наблюдения за сельскохозяйственной составляющей стока в речную сеть бассейна Балтийского моря в России ранее не проводили, с 2004 г. ГЦАС «Ленинградский» выполняет работы по российско-шведскому проекту «Сельское хозяйство и охрана окружающей среды в Ленинградской области» (АЕЬО).
При разработке системы мониторинга загрязнения водных объектов необходимо было учесть специфические особенности сельскохозяйственных водосборов СевероЗападного региона, которые сводятся к следующему:
1.Базисная роль мелиорации в земледелии, усугубляющая его воздействие на природные воды. 2. Концентрация сельскохозяйственных угодий, ферм, дорог, населенных пунктов по берегам водных объектов. 3. Низкий уровень утилизации отходов (по разным оценкам потери биогенных веществ от объектов животноводства в гидросферу составляют от 16 до 44 % и реализуются в виде загрязненных ливневых и талых вод). 4. Концентрация сельского населения в населенных пунктах с многоэтажной застройкой, где по целому ряду причин работа очистных сооружений менее эффективна, чем в более крупных городах и где возникают значительные проблемы с утилизацией твердых бытовых отходов и при содержании скота в личных подсобных хозяйствах.
Для ведения водного мониторинга специалистами ГЦАС «Ленинградский» были предложены, и в последствии одобрены экспертами «Сканагри», водосборы четырех малых рек на юго-западе области, являющиеся притоками второго-третьего порядка более крупных рек, впадающих в Финский залив. Створы отбора проб и измерения расходов воды намечали таким образом, чтобы можно было выделить сельскохозяйственную составляющую биогенных элементов в речном стоке и оценить уровень загрязненности воды по отношению к природному фону.
Водосбор № 1 (р. Нейма) расположен на западе Ленинградской области, в восточной части Кингисеппского
района. Основным источником загрязнения служат сельскохозяйственные угодья и животноводческие объекты ЗАО «Агро-Балт». В почвенном покрове территории преобладают почвы легко- и среднесуглинистого гранулометрического состава, характеризующиеся близкой к нейтральной реакцией среды (рН 5,6-6,3 и более) и достаточно высоким содержанием органического вещества в гумусовых горизонтах (3,2-4,7 % и более).
Водосбор № 2 (р. Сума) расположен на западе Ленинградской области, в восточной части Кингисеппского района вдоль границы с Волосовским районом. Основной источник загрязнения - сельскохозяйственные угодья и животноводческие объекты ЗАО «Домашево». На водосборной территории преобладают почвы среднесуглинистого гранулометрического состава, характеризующиеся слабокислой или близкой к нейтральной реакцией среды (рН 5,3-6,5) и достаточно высоким содержанием органического вещества в гумусовом горизонте (3,5-5,5 % и более).
Водосбор № 3 (р. Суйда) расположен в 30 км к югу от Санкт-Петербурга. Его основную часть занимают сельскохозяйственные угодья ОПХ «Суйда». На территории хозяйства преобладают почвы легкосуглинистого гранулометрического состава, характеризующиеся близкой к нейтральной или нейтральной реакцией среды (рН 5,6-7,0) и достаточно высоким содержанием органического вещества в гумусовом горизонте (3,5-6,5 % и более). Существенно меньшие площади заняты почвами супесчаного гранулометрического состава и около 250 га - торфяными почвами.
Водосбор № 4 (р. Стрелка) расположен в пригородной зоне Санкт-Петербурга, где сильно развита дорожная сеть, более высокая плотность населения и находятся крупные птицефабрики - «Ломоносовская», «Русско-Высоцкая», «Лаголово». Здесь преобладают почвы легко-и среднесуглинистого гранулометрического состава, характеризующиеся слабокислой (очень мало), близкой к нейтральной или нейтральной реакцией среды и достаточно высоким содержанием органического вещества в гумусовом горизонте (3-5 % и более). Существенно меньшие площади заняты почвами супесчаного гранулометрического состава. В лесных массивах достаточно широко распространены торфяные почвы.
Состав работ по мониторингу стока с сельскохозяйственных угодий включал: 1. Выбор наблюдаемых створов, характеризующих различные по происхождению и степени антропогенного воздействия типы воды. 2. Картирование водосборов, определение размеров водосборных площадей, выявление структуры водосборов, т.е. определение в них
площадей, занятых лесными угодьями, селитебными территориями, сельскохозяйственными угодьями, включая пахотные, лугопастбищные, в том числе осушаемыми открытым и закрытым дренажем. 3. Сбор данных об атмосферных осадках и температуре воздуха. 4. Регулярные гидрологические и гидрохимические наблюдения по выбранным створам, включающие измерение расходов, отбор и гидрохимический анализ проб воды по общепринятым методикам. 5. Сбор сведений об урожайности сельскохозяйственных культур, дозах органических и минеральных удобрений по базовым хозяйствам на каждом водосборе.
На основании первичных материалов наблюдений рассчитывали расходы воды, объемы и слои стока, расходы биогенных и загрязняющих веществ и динамику их выноса по исследуемым створам. Сельскохозяйственную составляющую в стоке биогенных элементов с речными водами определяли как разность между речным стоком и стоком с природного фона.
Сведения об атмосферных осадках собирали по трем метеостанциям: Кингисепп, Белогорка и Ломоносов. 2004 г. был достаточно нетипичным по условиям увлаж-
нения. Количество осадков в январе-марте составило 9092 % от нормы. Наиболее аномальными были апрель (количество осадков 12-18 % нормы, обеспеченность более 95 %); июнь (212-315 % нормы, обеспеченность менее 5 %); июль (42-140 % нормы). В целом за год количество осадков было близко к норме по метеостанции «Ломоносов», превысило годовую норму на 9 % по метеостанции «Белогорка» и на 20 % - по метеостанции «Кингисепп». Сток весеннего половодья был меньше нормы, однако, аномальные условия увлажнения в июне-июле способствовали формированию летнего дождевого паводка с обеспеченностью по расходам 5-10 %.
В качестве показателей интенсивности использования водосборов использовали сведения о внесении удобрений, урожайность сельскохозяйственных культур, плотность населения и поголовья скота (табл. 1, 2, 3).
Результаты наблюдений обобщали путем расчета слоев стока с различных фрагментов водосборов; наибольших, наименьших и средних значений концентраций ]Чоб,ц., ]Ч-]ЧН4, N-N03, Робщ., р мин; выноса биогенных веществ с различных фрагментов водосборов; значений
1. Внесение удобрений под отдельные культуры
Хозяйство Культура Площадь, га Внесение удобрений
органические, т/га мине] ральные, кг/га д.в.
N Р К
Агро-Балт Зерновые 750 - 42,3 43,1 43,1
Картофель 220 54,5 98,2 129,1 129,1
Многолетние и однолетние травы 1718 5,2 113,5 - -
Луга и пастбища 1055 - 83,1 - -
Домашово Зерновые 380 - 24,2 30,5 30,5
Многолетние и однолетние травы 2527 3,0 42,1 1,0 7,0
Луга и пастбища 698 3,4 19,1 - 5,3
Суйда Зерновые 424 - 21,9 21,2 21,2
Картофель 220 54,5 78,6 90 100,4
Многолетние и однолетние травы 1350 - 16,8 - -
Луга и пастбища 559 - 25,9 - -
2. Урожайность основных сельскохозяйственных культур по базовым хозяйствам, ц/га
Хозяйство Зерновые Карто- фель Многолетние травы, зеленая масса Многолетние травы, сено Улучшенные сенокосы, сено Однолетние травы, зеленая масса ДКП на силос
Агро-Балт 35,1 230 163 - 29 53,0 70
Домашово 31,1 - 89 30 - 129 19,6
Суйда 31,4 175 - 20 - - -
3. Удельный вынос азота и фосфора с речными водами с сельскохозяйственных фрагментов водосборов
Водный Индекс приме- Плотность Плотность по- Номер Площадь Доля леса / Удельный вынос с сельскохо-
объект нения удобре- населения, головья скота створа водосбора, сельхозу- зяйственной части водосбора,
ний, №Ф, кг/га чел/га усл. гол/га га годий, % кг/га
азот фосфор
р. Суйда 42 / 12 0,23 0,22 8 11770 60 / 26 8,49 0,51
1 15700 65 / 22 14,1 0,76
2 20680 65 / 27 8,53 0,94
3 22650 65 / 28 9,89 0,58
4 2586 30 / 59 11,6 0,76
5 25526 60 / 31 11,5 1,02
Р. Сума 66 / 12 0,15 0,36 8 9561 72 / 24 47,1 5,56
9 10300 74 / 23 16,8 1,55
р. Нейма 142 / 19 0,35 0,81 2 1728 80 / 14 33,1 1,29
3 1970 72 / 16 29,3 1,30
4Б 2115 69 / 22 30,1 2,91
4. Обобщенные характеристики различных типов воды на исследуемых водосборах
№ створа, тип воды, характеристика водосбора Слой стока, мм Соотношение между средними концентрациями Концентрации средние / (мини-мальные-максимальные), мг/л
^рг. / N-^4 / N-N03 ^^"общ. / робщ. Nобщ. Робщ.
Водосбор р. Нейма
1.ВПФ, исток р. Нейма 279 0,15 / 0,13 / 0,72 100 2,80 / (1,99-3,37) 0,028 / (0,02-0,10)
4 А. СВЗ, сбросные воды мелиоративной системы, загрязненные стоком с территории фермы 90 0,34 / 0,16 / 0,50 41 3,12 / (1,68-5,22) 0,076 / (0,02-0,74)
4 СВЗ, сбросные воды мелиоративной системы, загрязненные стоком с территории фермы 406 0,13 / 0,82 / 0,05 4,6 24,2 / (1,70-53,7) 5,24 / (1,46-9,47)
Водосбор р. Сума
1. СВЗ, сбросные воды мелиоративной системы загрязненные стоком с территории фермы 117 0,22 / 0,73 / 0,05 6,2 49,6 / (16,4-157) 7,93 / (4,51-14,8)
5. СВЗ, сбросные воды мелиоративной системы, включающие водосбор №1 478 0,27 / 0,70 / 0,03 4,3 17,1 / (2,22-60,1) 3,92 / (0,50-11,3)
Водосбор р. Сума
7. СВЗ, сбросные воды мелиоративной системы, включающие сток с водосборов №1, 5, 6 и впадающие в р. Сума 202 0,33 / 0,34 / 0,34 11 4,86 / (1,99-14,5) 0,45 / (0,05-0,80)
10. ВПФ, р. Сума, исток (фон) 369 0,16 / 0,17 / 0,67 147 2,95 / (1,77-4,26) 0,022 / (0,02-0,03)
9. РВ, р. Сума, замыкающий створ 369 0,32 / 0,20 / 0,48 25 3,21 / (1,88-5,75) 0,13 / (0,02-0,26)
Водосбор р. Суйда
0. ВПФ, р. Суйда, исток 226 0,33 / 0,48 / 0,19 65 1,55 / (1,25-2,95) 0,024 / (0,02-0,04)
1А. СВЗ, сбросные воды мелиоративной системы загрязненные стоком с фермы 297 0,26 / 0,65 / 0,09 4,4 6,96 / (2,90-15,3) 1,58 / (0,07-2,20)
7. СВЧ, сбросные воды мелиоративной системы на водосборе р. Пижма 125 0,49 / 0,15 / 0,36 6,9 2,19 / (2,04-3,09) 0,316 / (0,03-0,47)
5. РВ, р. Суйда, замыкающий створ 271 0,32 / 0,29 / 0,39 19 2,63 / (1,81-4,80) 0,137 / (0,03-0,17)
коэффициентов вариации концентраций общего азота -Су ^обц.) и фосфора - Су (Робц.); соотношений между различными формами азота ^орг. / N-NH4 / N-N0^, общим азотом и фосфором ^обц. / Робц.) (табл. 4).
Для оценки качества воды целесообразно использовать экологический критерий для малых рек Северо-Запада - значения концентраций биогенных веществ, при которых не происходит чрезмерного зарастания русел водной растительностью, обеспечивается нормальное функционирование речных экосистем (Даишев, 2001, Хрисанов, Осипов, 1993).
Результаты исследований водосбора №1 (р. Нейма). Створ 1 (ВПФ) характеризует природный фоновый состав поверхностных вод с малых водосборов, доля экстенсивно используемых сельскохозяйственных угодий составляет всего 5,2 %. ВПФ в верховьях р. Нейма характеризуются стабильностью гидрохимического состава - Су (^бщ.) = 0,16. В составе соединений азота преобладает нитратная форма, содержание общего азота превышает содержание общего фосфора в 100 раз, что служит характерным признаком чистых природных поверхностных вод.
ВПФ в истоке р. Нейма в целом соответствуют экологическим критериям, а содержание фосфора даже существенно меньше. Удельный вынос азота и фосфора составляет соответственно 7,8 и 0,097 кг/га.
Створы 1, 2, 4В (РВ) характеризуют речные воды, загрязненные в разной степени стоком с сельскохозяйственных угодий. По мере протекания р. Нейма от створа 1 до 4 В доля водосбора, занятая лесами, уменьшается с 89 до 69 %; сельскохозяйственная освоенность возрастает с 5 до 22 %, доля пашни увеличивается с 3,4 до 12 %. Увеличение сельскохозяйственной нагрузки на водосбор вызывает соответ-
ствующие изменения в гидрохимическом составе речных вод: увеличивается нестабильность химического состава, возрастают значения коэффициентов вариации концентраций азота и фосфора; изменяются соотношения между содержанием органического, аммонийного и нитратного азота в сторону увеличения содержания аммонийных форм, что является признаком загрязнения отходами животноводства; снижается соотношение между общим азотом и фосфором со 100 до 17,4; от створа 1 до 4 В более чем в 6 раз увеличивается содержание фосфора в речных водах.
Удельный вынос азота с сельскохозяйственной или более точнее с антропогенной части водосбора изменяется в пределах 29,3-33,1 кг/га; фосфора 1,29-1,30 кг/га, достигая экстремальных значений в створе 4 В - 2,91 кг/га.
Створ 4 (СВЧ) характеризует сбросные воды мелиоративных систем, на водосборах которых не содержится посторонних источников загрязнения. По средним концентрациям биогенных веществ эти воды соответствуют экологическим критериям, однако максимальные концентрации фосфора превышают экологические критерии более чем в 7 раз. По сравнению с речными, эти воды характеризуются существенно меньшей стабильностью гидрохимического состава.
Створ 4А (СВЗ) включает сбросные воды мелиоративных систем, загрязненные отходами животноводства. Они характеризуются нестабильностью химического состава, преобладанием аммонийной формы минерального азота, соотношение между общим азотом и фосфором уменьшается до 4,6; что является характерным для животноводческих стоков. Экологические критерии по аммонийному азоту превышены более чем в 30 раз, фосфору в 50 раз. Удельный вынос азота составляет 21,7 кг/га, фосфора - 4,71 кг/га при
объеме стока 90 мм. Реальный вынос с данного фрагмента водосбора должен быть больше указанных значений, поскольку при достаточно редких наблюдениях динамичный сток осушительной системы измерен не полностью.
Анализ показывает, что между створами 3 и 4 В более чем в 3 раза возрастает поступление фосфора в речные воды - с 0,417 до 1,37 т. Основная причина - сильно загрязненные отходами животноводства воды, поступающие с локального водосбора площадью 122 га со створа 4 А. Вынос фосфора с этой «горячей точки» за период исследований составляет 570 кг.
Водосбор №2 (р. Сума). Створ 1 (СВЗ) представлен сбросными водами мелиоративных систем, загрязненных поверхностным стоком с территории фермы. Они характеризуются нестабильностью химического состава
- Су СМобщ.) = 0,96; Су (Робщ.) = 0,49. Преобладает аммонийная форма минерального азота, соотношение между общим азотом и фосфором составляет 6,2, что характерно для животноводческих стоков. Экологические критерии превышены по общему азоту более чем в 17 раз; аммонийному - более чем в 90 раз, фосфору - в 79 раз. Удельный вынос азота составляет 58,3 кг/га, фосфора -9,31 кг/га при объеме стока 117 мм. Реальный вынос с данного фрагмента водосбора должен быть больше указанных значений поскольку очевидно, что при достаточно редких наблюдениях динамичный сток осушительной системы измерен не полностью.
Створ 6 (СВЧ) характеризует сбросные воды мелиоративных систем, на водосборах которых не содержится посторонних источников загрязнения. По средним концентрациям биогенных веществ эти воды достаточно близки экологическим критериям, однако максимальные концентрации биогенных элементов превышают их в 4-7 раз. Воды СВЧ характеризуются нестабильностью гидрохимического состава: Су (Кобщ.) = 0,96; Су (Робщ.) = 0,49, относительно низким содержанием аммонийного азота (11 %) и достаточно высоким (34,5) соотношением ^Гобщ. / Робщ..
Створ 7 (СВЗ) - сбросные воды мелиоративной системы, включающие сток с точек 1-5, разбавленный стоком с лежащих ниже по течению сельскохозяйственных угодий. В результате концентрация общего азота уменьшаются с
49,6 (створ 1) до 4,86 мг/л; общего фосфора с 7,93 (створ 1) до 0,40 мг/л. Уменьшается доля аммонийного азота, увеличивается до 11 соотношение ^Гобщ. / Робщ..
Таким образом, концентрации азота и фосфора приближаются к значениям, характерным для объектов с чисто сельскохозяйственным использованием водосборов, не содержащим посторонних источников загрязнения (створ 6).
Створ 10 (ВПФ) характеризует природный фоновый состав поверхностных вод с малых залесенных водосборов. ВПФ в верховьях р. Сума характеризуются стабильностью гидрохимического состава - Су (Кобщ.) =
0,24. В составе соединений азота преобладает нитратная форма, содержание Мобщ. превышает содержание Робщ. в 147 раз, что служит характерным признаком чистых природных поверхностных вод.
ВПФ в верховьях р. Сума по средним концентрациям в целом соответствуют экологическим критериям, а содержание фосфора даже существенно меньше. Удельный вынос азота и фосфора составляет соответственно 10,9 и 0,155 кг/га.
Створы 8 и 9 характеризуют речные воды, в разной степени загрязненные стоком с сельскохозяйственных угодий.
По мере протекания р. Сумы через сельскохозяйственные угодья от створа 10 до замыкающего створа 9 доля водосбора, занятая лесами, уменьшается со 100 до 74 %; сельскохозяйственная освоенность возрастает до 23 %, доля пашни увеличивается до 20 %. Сельскохозяйственная нагрузка на водосбор вызывает соответствующие изменения в гидрохимическом составе речных вод: увеличивается нестабильность химического состава, возрастают значения коэффициентов вариации концентраций азота и фосфора; изменяются соотношения между содержанием органического, аммонийного и нитратного азота в сторону увеличения содержания аммонийных форм, что является признаком загрязнения отходами животноводства; соотношение Н,бщ. / Робщ. снижается со 147 до 13,6; от створа 10 (ВПФ) до створа 8 более чем в 17 раз увеличивается содержание фосфора в речных водах.
Удельный вынос азота с сельскохозяйственной части водосбора уменьшается от 47,1 кг/га в створе 8 до 16,8 кг/га в створе 9, фосфора - от 5,56 до 1,55 кг/га.
Основная причина аномально высокого загрязнения речных вод в створе 8 - влияние сброса сильно загрязненных отходами животноводства вод, поступающих с локального водосбора площадью 47 га (створ 1). Вынос фосфора с этого водосбора - «горячей точки» за период исследований составил 600 кг.
Водосбор №3 (р. Суйда). Створ 0 (ВПФ) характеризует природный фоновый состав поверхностных вод с малых залесенных водосборов. ВПФ в верховьях р. Суйда имеет стабильный гидрохимический состав - Су С^общ.) =
0,29; Су (Робщ.) = 0,27. Среди соединений азота преобладает аммонийная форма, что служит признаком разложения органического вещества в лесных экосистемах в результате выпадения аномально больших осадков в июне-июле и заболоченности лесов в верховьях р. Суйда. Содержание Н,бщ. превышает содержание Робщ. в 65 раз, что характерно для чистых природных поверхностных вод.
ВПФ в верховьях р. Сума по средним концентрациям соответствуют экологическим критериям, а содержание фосфора в них даже существенно меньше. Удельный вынос азота и фосфора составляет соответственно 5,97 и 0,094 кг/га.
Створы 8, 1, 2, 3 и 5 характеризуют речные воды, в разной степени загрязненные стоком сельскохозяйственных угодий и селитебных территорий.
По мере протекания р. Суйда через сельскохозяйственные угодья от створа 8 до замыкающего створа 5 доля водосбора, занятая лесами, остается относительно постоянной и составляет 60-65 % площади, сельскохозяйственная освоенность изменяется в пределах 26-33 %, доля пашни - 18-25 %.
Примерно одинаковые значения нагрузки формируют близкие по биогенному составу речные воды: средние концентрации Мобщ. 2,09-2,67 мг/л, Робщ. 0,081-0,137 мг/л; соотношение Морг. / К-ЫН4 / К-ЫО4 = 1/1/1; соотношение Мобщ. / Робщ. = 28-30; удельный вынос азота 8,49-
11,6 кг/га, фосфора 0,51-1,02 кг/га.
Створ 1А (СВЗ) представлен сбросными водами мелиоративных систем, загрязненных поверхностным стоком с территории фермы. Они характеризуются нестабильностью химического состава Су (Кобщ.) = 0,53, Су (Робщ.) = 0,82. Преобладает аммонийная форма минерального азота, соотношение между Мобщ. / Робщ. составляет 4,2, что характерно для животноводческих стоков. Экологические критерии превышены по общему азоту более чем в
2 раза, по аммонийному - более чем в 10 раз, по фосфору в 15 раз. Значения удельного выноса азота - 20,7 кг/га, фосфора - 4,70 кг/га при объеме стока равном 297 мм. Реальный вынос с данного фрагмента водосбора должен быть несколько больше указанных значений, поскольку, при достаточно редких наблюдениях, динамичный сток осушительной системы измерен не полностью.
Створ 1В (СВЧ) характеризует сбросные воды мелиоративных систем осушаемых лугов, на водосборах которых не содержится посторонних источников загрязнения. По средним концентрациям биогенных веществ эти воды достаточно близки экологическим критериям, однако максимальные концентрации биогенных элементов превышают их в 4-7 раз. Воды СВЧ характеризуются нестабильностью гидрохимического состава: Су (№общ.) =
1, Су (Робщ.) = 0,89, сравнительно низким содержанием аммонийного азота (не более 13 %) и достаточно высоким (18) соотношением ^бщ. / Робщ..
Створ 7 (СВЧ) характеризует сбросные воды мелиоративных систем на пахотных угодьях. По всем основным свойствам они близки к аналогичным водам с осушаемых лугов. Исключение составляет общий фосфор, содержание которого в сбросных водах с пахотных угодий в 3 раза больше, чем с лугопастбищных. Значения удельного выноса биогенных элементов в створах 1В и 7 относительно невелики, что обусловлено небольшим объемом наблюдаемого стока.
Створ 4 (РВ) характеризует речные воды водосбора р. Пижма, отличающегося в целом от водосбора р. Суйда вдвое большей степенью сельскохозяйственной освоенности и распаханности. В результате воды р. Пижма характеризуются нестабильностью химического состава: Су (Мобщ.) = 0,89, Су (Робщ.) = 0,31 и достаточно высоким (18) соотношением ^бщ. / Робщ.. По средним концентрациям соединений азота воды р. Пижма близки к экологическим критериям, однако содержание фосфора в них почти в 2 раза выше.
Обобщение результатов мониторинговых наблюдений осуществляли, устанавливая корреляционные связи между степенью сельскохозяйственной освоенности водосборов и концентрациями азота и фосфора в речных водах. Анализ данных таблицы 5 показал отсутствие корреляционной связи между средней концентрацией общего азота в речных водах и степенью сельскохозяйственной освоенности водосбора. В то же время установлена достаточно тесная связь (коэффициент корреляции 0,84) между концентрацией общего фосфора в речных водах и степенью сельскохозяйственной освоенности водосбора следующего вида:
Робщ. = 0,0254 + 0,00234 Б, (1)
где Робщ. - концентрация общего фосфора в речных водах, мг/л
Б - доля сельскохозяйственных угодий на водосборе, %.
Один из наиболее принципиальных вопросов - соотношение между нагрузкой на водосбор и выносом биогенных веществ с речными водами. В таблице 6 приведен расчет поступления на водосборы азота и фосфора с минеральными и органическими удобрениями, хозяйственно-бытовыми сточными водами и ливневыми водами с селитебных территорий. Оценку объемов выхода биогенных элементов проводили по укрупненным показателям в соответствии со СНиП 2.04.03-85. Считалось, что выход аммонийного азота составляет 8 г/сутки на одного жителя, фосфора - 1,44 г/сутки.
5. Связь сельскохозяйственной освоенности водосборов и средних концентраций биогенных элементов в речных водах
№ створа, тип Освоенность Средние кон- ^бщ. /
воды, водный объ- водосбора, центрации, мг/л Робщ.
ект % Nобщ. Робщ.
0. ВПФ р. Нейма 5,2 2,80 0,028 100
2. РВ р. Нейма 14 2,76 0,022 125
3. РВ р. Нейма 16,2 3,32 0,086 39
10. ВПФ р. Сума 0 2,95 0,022 134
9. РВ р. Сума 22,7 3,21 0,13 24
0. ВПФ р. Суйда 0 1,55 0,024 64
8. РВ р. Суйда 33,0 2,26 0,081 28
1. РВ р. Суйда 29,4 2,67 0,095 28
2. РВ р. Суйда 26,6 2,09 0,106 19
3. РВ р. Суйда 27,7 2,46 0,083 30
5. РВ р. Суйда 31,1 2,63 0,137 19
4. РВ р. Пижма 59,4 3,25 0,18 18
1. РВ р. Стрелка 40 3,43 0,097 35
2. РВ р. Стрелка 40 3,14 0,089 35
3. РВ р. Стрелка 39 3,33 0,102 32
При расчете объемов поступления загрязняющих веществ с ливневыми и талыми водами с селитебных территорий содержание азота составляло 5 мг/л, фосфора -1,1 мг/л, коэффициент поверхностного стока при укрупненных расчетах принимали равным 0,5.
Потери удобрений в гидросферу со стоком сельскохозяйственных угодий составили: Водосбор №1 (р. Нейма): N
- 21,2 %, Р - 15,1 %; Водосбор № 2 (р. Сума): N - 25,3 %, Р
- 13,1 %; Водосбор № 3 (р. Суйда): N - 27,2 %, Р - 8,3 %. Данные оценки характеризует степень замкнутости круговорота биогенных элементов на сельскохозяйственном водосборе. Однако они не является абсолютно корректными, поскольку в суммарном стоке биогенных элементов с речными водами выделяется сток не только с сельскохозяйственных, но также с антропогенно освоенных фрагментов водосборов, включая и селитебные территории.
Интегральный показатель нагрузки на водосбор должен включать индекс интенсивности применения удобрений, плотность населения и поголовья скота. Анализ данных таблицы 7 показывает на тенденцию к увеличению выноса биогенных веществ с сельскохозяйственных фрагментов водосборов по мере роста доз удобрений, плотности населения и поголовья скота. Установлены зависимости между выносом азота и фосфора с сельскохозяйственных фрагментов водосборов и нагрузкой на водосбор от применяемых удобрений. Для общего азота (коэффициент корреляции 0,98):
В (К,бщ.) = 6,48 + 0,068 N + 0,0007 N2 (2)
где В (^бщ.) - удельный вынос общего азота с сельскохозяйственных фрагментов водосборов, кг/га;
N - доза азота (д. в.) в органических и минеральных удобрениях, кг/га.
Для общего фосфора (коэффициент корреляции 0,81): В (Робщ.) = 0,091+ 0,02 Р + 0,0038 Р2, (3)
где В (Робщ.) - удельный вынос общего фосфора с сельскохозяйственных фрагментов водосборов, кг/га;
Р - доза фосфора (д.в.) в органических и минеральных удобрениях, кг/га.
Вынос азота и фосфора с сельскохозяйственных угодий Ленинградской области оценивали через зависимость, связывающую общий вынос биогенных веществ в
6. Структура поступления и вынос биогенных веществ по замыкающим створам водосбора
Составляющая, т Азот, т Фосфор, т
Поступление с органическими и минеральными удобрениями 66,9 9,04
Поступление с хозбытовыми сточными водами 1,43 0,258
Поступление с ливневыми водами с селитебных территорий 3,04 0,67
ИТОГО ПОСТУПЛЕНИЕ 71,4 9,97
Вынос с антропогенной части водосбора 14,2 1,37
Поступление с органическими и минеральными удобрениями 155 27,8
Поступление с хозбытовыми сточными водами 2,86 0,52
Поступление с ливневыми водами с селитебных территорий 5,67 1,25
ИТОГО ПОСТУПЛЕНИЕ 164 30
Вынос с антропогенной части водосбора 39,2 3,63
Поступление с органическими и минеральными удобрениями 337 98,5
Поступление с хозбытовыми сточными водами 10,4 1,87
Поступление с ливневыми водами с селитебных территорий 18,0 3,96
ИТОГО ПОСТУПЛЕНИЕ 365,4 104
Вынос с антропогенной части водосбора 91,7 8,18
Водный объект, № створа и структура водосбора
р. Нейма, замыкающий створ 4 В Площадь - 2115 га / 100 % в т. ч. лес - 1460 га / 69 % Сельхозугодья - 471 га / 22 % Пашня - 249 га / 12 %
р. Сума, замыкающий створ 9 Площадь - 10300 га / 100 % в т.ч. лес - 6860 га / 72 % Сельхозугодья - 2337 га / 23 % Пашня - 2016 га / 20 %
р. Суйда, замыкающий створ 5 Площадь - 22526 га / 100 % в т.ч. лес - 15300 га / 60 % Сельхозугодья - 7945 га / 31 % Пашня - 5531 га / 22 %
7. Удельный вынос азота ^ и фосфора с речными водами
Водный Индекс примене- Плотность Плотность Створ Площадь Доля леса / Удельный вынос с сельскохо-
объект ния удобрений, населения, поголовья водосбора, сельхозуго- зяйственной части водосбора,
азот / фосфор кг/га чел/га скота, усл. га дий, % кг/га
гол/га азот фосфор
р. Суйда 42 / 12 0,23 0,22 8 11770 60 / 26 8,49 0,51
1 15700 65 / 22 14,1 0,76
2 20680 65 / 27 8,53 0,94
3 22650 65 / 28 9,89 0,58
4 2586 30 / 59 11,6 0,76
5 25526 60 / 31 11,5 1,02
р. Сума 66 / 12 0,15 0,36 8 9561 72/24 47,1 5,56
9 10300 74 / 23 16,8 1,55
р. Нейма 142 / 19 0,35 0,81 2 1728 80 / 14 33,1 1,29
3 1970 72 / 16 29,3 1,30
4Б 2115 69 / 22 30,1 2,91
8. Вынос биогенных веществ с сельскохозяйственных угодий Ленинградской области
Культуры (Б) Площадь, га (У) Урожайность, ц/га Азот - N Фосфор - Р2О5
А К, кг/ц М, т/год А К, кг/ц М, т/год
Зерновые 25258 25 0,16 2,9 293 0,11 1,2 83,6
Картофель 9066 147 0,25 0,5 167 0,18 0,15 36,0
Овощи 3266 380 0,65 0,35 282 0,35 0,12 52,1
Многолетние травы 224455 25 0,15 1,7 1430 0,17 0,63 601
Силосные 4098 123 0,55 0,33 91,5 0,22 0,12 13,3
Лугопастбищные угодья 104853 30,9 0,15 1,7 826 0,17 0,63 347
Е 371000 3090 1130 (494 т Р)
водотоки с урожайностью: М = ДУ), где ДУ) - интегральный показатель комплекса природных и хозяйственных факторов (погодные условия, тип почв, продолжительность вегетационного периода, дозы удобрений, соотношение №К, сроки, качество внесения и заделки удобрений), которые учесть порознь практически невозможно. Расчетная формула годового выноса, приведенная в Методических указаниях по расчету поступления биогенных элементов в водоемы от рассредоточенных нагрузок и установлению водоохранных мероприятий (М., Союзводпроект, 1988) имеет следующий вид:
М = Б ■ У ■ А ■ К, кг, (4)
где Б - площадь, занятая данной культурой, га;
У - урожайность, ц/га;
А - коэффициент выноса в водоемы биогенных веществ, зависящий от возделываемой культуры, почвенных условий, водности года, удаленности угодий от уреза воды;
К - вынос питательных веществ из почвы с урожаем сельскохозяйственных культур, кг/ц основной продукции. Результаты расчета приведены в таблице 8.
Средние значения потерь удобрений (от количества внесенных) по трем наблюдаемым водосборам составляют по азоту (24,5±3,1) %, по фосфору (12,1±3,5) %. Для периода наблюдений (с 21.04 по 17.11.2004 г.) вынос составляет 85 % от годового, следовательно, годовые потери составляют по азоту (28,8±3,6)%, по фосфору (14,2±4,1) %. Расчет количества азота и фосфора, поступившего по статистическим данным на сельскохозяйственные угодья Ленинградской области, приведен в таблице 9.
Суммарное количество поступивших на сельскохозяйственные угодья биогенных элементов по азоту составляет 14800 т, по фосфору - 3250 т. Абсолютные значения потерь в гидросферу равны для азота 3730-4790 т/год, для фосфора - 330-590 т/год. Сравнение данных расчета по
9. Расчет валового количества азота и фосфора, внесенных с органическими и минераль-
ными удобрениями на сельскохозяйственные угодья Ленинградской области в 2004 г.
Культуры Площадь, га Внесено удобрений на 1 га Внесено удобрений, всего
Органических , т Минеральных, кг д.в. Органических , т Минеральных, кг д.в.
N Р N Р
Зерновые 25258 9,1 24,7 24,6 230000 624 622
Картофель 9066 54,7 48,5 51,8 496000 440 470
Овощи 3266 38,4 108,5 55,8 125000 354 182
Многолетние травы 224455 1,4 24,5 2 314000 5500 449
Силосные 4098 4,7 14 13,1 19300 57,4 53,7
Лугопастбищные угодья 104853 0,5 15,1 1,1 52400 1580 115
Е 371000 1240000 8550 1890
* Содержание в органических удобрениях: азота 0,5 %; фосфора 0,11 %.
связи выноса с урожайностью и по результатам мониторинговых наблюдений на исследуемых водосборах показывает на их достаточно близкое совпадение. При анализе необходимо учитывать, что результаты наблюдений дают несколько завышенную (примерно на 10 %) оценку, поскольку в стоке биогенных элементов с речными водами выделяется не «сельскохозяйственная», а «антропогенная» составляющая, включающая поступление азота и фосфора с хозяйственно-бытовыми сточными водами и ливневым стоком с селитебных территорий.
Таким образом, сельскохозяйственные водосборы включают различные по условиям формирования и степени антропогенного воздействия типы воды:
1. Воды природного фона (ВПФ) с малых водосборов, не испытывающих непосредственного воздействия сельскохозяйственного производства, формирование гидрохимического состава которых происходит под воздействием локальной гидрохимической обстановки и поступления загрязняющих веществ с аэротехногенны-ми потоками. ВПФ характеризуются: стабильностью химического состава - Су СМобщ.) = 0,16-0,29, Су (Робщ.) = 0,27; широким отношением Мобщ. / Робщ. = 65-147; невысоким выносом азота, который составляет от 5,97 до 10,9 кг/га, и фосфора - от 0,082 до 0,097 кг/га.
Средние концентрации азота в ВПФ в основном соответствуют экологическим критериям, а количество фосфора даже существенно меньше. Содержание и вынос азота, соотношение между аммонийной и нитратной формами его в ВПФ существенно зависит от вида растительных сообществ (хвойные, лиственные леса) и степени заболоченности водосбора.
2. Сбросные воды мелиоративных систем, на водосборах которых не содержится источников загрязнения в виде объектов инфраструктуры сельскохозяйственного производства, условно чистые (СВЧ), состав которых формируется в результате смешения и трансформации в открытой мелиоративной сети грунтовых, поверхностных и транзитных вод. Как правило, они отличаются от дренажных вод (ДВ) меньшим содержанием биогенных веществ, в результате разбавления более чистыми водами из ограждающей сети и процессов самоочищения. Для СВЧ характерна: нестабильность биогенного состава - Су СМобщ.) = 0,96-1,0, Су (Робщ.) = 0,49-1,3; относительно большое значение отношения Мобщ. / Робщ., равное 18-34; устойчивое преобладание нитратных форм азота над аммонийными.
По средним концентрациям биогенных веществ эти воды в основном соответствуют экологическим крите-
риям, однако максимальные концентрации фосфора превышают их более чем в 7 раз. Значения удельного выноса относительно невелики (К - 20,7 кг/га, Р - 4,70 кг/га при объеме стока 297 мм). Однако, как уже отмечалось, при достаточно редких наблюдениях динамичный сток с осушительных систем измерен не полностью.
3. Сбросные воды мелиоративных систем, на водосборах которых присутствуют источники загрязнения в виде объектов инфраструктуры сельскохозяйственного производства, ливневые и талые воды (ЛТВ) с которых попадают в открытую мелиоративную сеть (СВЗ). Формирование гидрохимического состава этих вод происходит в результате смешения ЛТВ и СВЧ. Источник загрязнения, как правило, - относительно небольшие локальные водосборы, на которых складируют отходы животноводства. СВЗ отличаются: нестабильностью химического состава; преобладанием аммонийной формы минерального азота; низким отношением между Кобщ. и Робщ. (до 4,4-4,6), что характерно для животноводческих стоков. Экологические критерии по содержанию биогенных веществ превышаются в СВЗ в десятки и сотни раз. Значения удельного выноса азота при относительно небольших объемах стока (90-120 мм) варьируют от 20,7 до 81,5 кг/га, фосфора - от 4,7 до 18,8 кг/га. Реальный вынос с данных фрагментов водосборов должен быть больше указанных значений, поскольку динамичный сток осушительной системы измерен не полностью.
4. Речные воды (РВ) на мелиорируемых водосборах, гидрохимический состав которых формируется в результате смешения в речной сети всех отмеченных выше типов воды и трансформации их качественного состава под воздействием речных экосистем.
Проведенный мониторинг позволяет дать оценку потерь удобрений в гидросферу со стоком с сельскохозяйственных угодий: Водосбор №1 (р. Нейма): N - 21,2 %, Р
- 15,1 %; Водосбор № 2 (р. Сума): N - 25,3 %, Р - 13,1 %; Водосбор № 3 (р. Суйда): N - 27,2 %, Р - 8,3 %. Полученные данные завышены, поскольку в стоке биогенных элементов с речными водами выделяется не чисто сельскохозяйственная, а антропогенная составляющая, включающая поступление азота и фосфора с хозяйственно-бытовыми сточными водами и ливневым стоком с селитебных территорий.
В условиях преимущественно сельскохозяйственного использования водосборов основную нагрузку на водосбор по азоту и фосфору создают минеральные и органические удобрения. Доля хозяйственно-бытовых сточных вод, ливневых и талых вод с селитебных территорий в суммарной
нагрузке составляет соответственно 5,2-7,7 % и 5,6-9 %.
Сельскохозяйственное использование водосборов в большей степени влияет на концентрации и вынос соединений фосфора, чем азота. Например, в замыкающих створах речных систем концентрации N,6^ увеличиваются в 1,06-1,69 раза, а Робщ. - в 5,7-6,07 раза.
На всех исследуемых водосборах выявлены так называемые «горячие точки». Это относительно небольшие фрагменты водосборов, прилегающие в основном к животноводческим фермам, на которых складируют отходы животноводства. Удельный вынос азота с этих фрагментов водосборов превышает фоновые значения в 2,8-5,3 раза, а фосфора - в 50-110 раз.
Сельскохозяйственные угодья занимают 4,4 % территории Ленинградской области. При этом многолетние травы и лугопастбищные угодья составляют 88,7 %, что удовлетворяет директивам ХЕЛКОМ и позволяет характеризовать экологическую ситуацию в целом по области, как вполне благоприятную.
На основании данных мониторинговых исследований получены значения годового выноса биогенных элементов
с сельскохозяйственных угодий Ленинградской области: азот 3730-4790 т, фосфор 330-590 т. Данные значения относятся к створам на границах сельскохозяйственных угодий и не учитывают процессов самоочищения в гидрографической сети. Вынос биогенных элементов характерен для сегодняшнего уровня интенсивности использования сельскохозяйственных угодий описанных водосборов, и в перспективе он будет увеличиваться по мере наращивания объемов сельскохозяйственного производства.
При расчетной региональной оценке выноса биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий можно использовать зависимость выноса от урожайности возделываемых культур, что позволяет воспользоваться доступными статистическими данными.
Для ведения мониторинга объемов стока биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий Ленинградской области в перспективе на ее территории необходимо устройство 3-4 автоматизированных мониторинговых станций и демонстрационных полей на их водосборах с последующей интеграцией в международную систему водного мониторинга сельскохозяйственных стоков.
ИТОГИ КОНКУРСА «АГРОХИМИК ГОДА»
(по работам, опубликованным в журнале в 2005 г.)
В номинации «Специалисты Госагрохимслужбы» лауреатом конкурса стал Юрий Павлович Танделов, директор Государственного центра агрохимической службы «Красноярский», доктор сельскохозяйственных наук за статьи «Отношение сортов сельскохозяйственных культур к почвенной кислотности» и «Роль минеральных удобрений в повышении продуктивности пашни Красноярского края», опубликованные в №№ 2 и 5.
В номинации «Ученые НИИ, работающие в области агрохимии, почвоведения и агроэкологии» лауреатом конкурса стала Генриэтта Егоровна Мерзлая, доктор сельскохозяйственных наук, заведующая лабораторией органических удобрений ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, постоянный автор журнала, заслуженный деятель науки России.
В номинации «Лучший автор года» лауреатом конкурса признан Андрей Владимирович Захаренко, доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент РАСХН, проректор по научной работе РГАУ - МСХА им. К. А. Тимирязева за статью «Школа аграрной науки», опубликованную в №6, посвященном юбилею академии.
В номинации «За большой вклад в развитие агрохимической службы и агрохимической науки», а также в связи с 75-летием со дня рождения и активной поддержкой редакции журнала (член Правления и редколлегии) лауреатом конкурса стал Вадим Феопентович Ладонин, доктор сельскохозяйственных наук, академик РАСХН.
Агрохимическая общественность, редакция и редколлегия журнала «Агрохимический вестник» сердечно поздравляют победителей конкурса и желают им доброго здоровья, семейного благополучия и дальнейших успехов в производственной и научной деятельности.
Дипломы лауреатам торжественно вручены 18 января с.г. на Всероссийской научно-практической конференции по эффективности применения удобрений, организованной НП «Агрохимсоюз», которая состоялась во ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова. Агрохимическая общественность, редакция и редколлегия журнала выражают огромную признательность за поддержку конкурса ООО «Сингента».
