CC BY
15УДК 504.4.054:631 DOI: 10.35567/19994508_2022_1_5
Оценка неконтролируемого стока биогенных веществ с водосборных территорий малых водотоков Среднего Урала, включенных в сельскохозяйственное использование
Е.В. Федорова ISI , О.П. Карпунина, Л.А. Щипачева, И.У. Беляева
И ev_fedorova@mail.ru
ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», г. Екатеринбург, Россия
АННОТАЦИЯ
Актуальность. Рассредоточенный сток с сельскохозяйственных территорий оказывает негативное воздействие на поверхностные водные объекты, увеличивая содержание в их водах биогенных веществ. Исследование закономерностей формирования качества склонового стока и оценка величины выноса биогенных веществ с водосборных территорий различной структуры позволяют провести ранжирование источников загрязняющих веществ и разработать эффективный комплекс мероприятий, направленных на улучшение качества вод. Методы. Проведены полевые исследования по изучению динамики концентраций соединений азота и фосфора в речных водах в зависимости от фазы стока. Произведен расчет выноса биогенных элементов с частей водосборов и с единицы площади. Результаты. Дана оценка биогенной нагрузки на водосборы малых рек в результате антропогенной деятельности и в результате поступления азота и фосфора из атмосферы. Получены численные значения выноса биогенных веществ с сельскохозяйственных водосборов малых водотоков Среднего Урала в период весеннего половодья и в период летней межени, которые могут быть использованы в водоохранной деятельности.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: малые водотоки, биогенная нагрузка на водосбор, сельскохозяйственная деятельность, динамика концентраций биогенных элементов, вынос азота и фосфора в водные объекты.
Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного контракта от 15.07.2019 г. № 1395-К.
Для цитирования: Федорова Е.В., Карпунина О.П., Щипачева Л.А., Беляева И.У. Оценка неконтролируемого стока биогенных веществ с водосборных территорий малых водотоков Среднего Урала, включенных в сельскохозяйственное использование // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2022. № 1. С. 68-86. DOI: 10.35567/19994508_2022_1_5.
Дата поступления 28.12.2021
ÀSSESSMENT OF UNCONTROLLED RUNOFF OF BIOGENIC SUBSTANCES FROM THE MlDDLE URAL SMALL WATERCOURSES CATCHMENT TERRITORIES INVOLVED INTO AGRICULTURE Yelena V. Fedorova ISI , Oksana P. Karpunina, Lyudmila A. Shchipacheva, Irina U. Belyaeva El ev_fedorova@mail.ru
Russian Research Institute for Integrated Water Management and Protection, Ekaterinburg, Russia © Федорова Е.В., Карпунина О.П., Щипачева Л.А., Беляева И.У. 2022
ABSTRACT
Relevance. Dispersed discharge from farming territories negatively affects surface water bodies through increasing of biogenic substances content in their water. Study of the slope runoff formation regularities and assessment of the biogenic substances carry-over from catchment territories of various structures enable to make rating of pollution sources and to develop an effective set ofmeasures aimed at improvement ofwater quality. Methods.We have conducted field observations concerning the dynamics of nitrogen and phosphorous compounds concentration in river waters in dependence on the runoff phase. We have calculated the biogenic elements carry-over from the catchment fragments and from an area unit. Results. We have assessed biogenic load upon small rivers catchment territories resulted from anthropogenic activities and from input of nitrogen and phosphorous from atmosphere. We have received numerical values of the biogenic substances carry-over from the Middle Ural agricultural catchments during the spring high-water periods and summer low-water periods. These values can be used in water protective activities.
Keywords: small watercourses, biogenic load upon catchment, agricultural activities, biogenic elements concentration dynamics, nitrogen and phosphorous carry-over to water bodies.
Financing: the work has been done within the framework of governmental contract No. 1395-K of 15.07.2019.
For citation: Fedorova Y.V., Karpunina O.P., Shchipacheva L.A., Belyaeva I.U. Assessment of uncontrolled runoff of biogenic substances from the Middle Ural small watercourses catchment territories involved into agriculture. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2022. No. 1. C. 68-86. DOI: 10.35567/19994508_2022_1_5.
Received 28.12.2021
ВВЕДЕНИЕ
Поступление биогенных веществ с водосборных территорий в водные объекты является одной из причин их загрязнения, в ряде случаев вызывающего эвтрофирование вод. Значительное увеличение выноса со склоновым стоком азота и фосфора связано с сельскохозяйственной деятельностью на водосборах, приводящей к формированию загрязненного склонового стока с полей, территорий ферм и сельских населенных пунктов. Отрицательное влияние на качество вод возрастает при нерациональном ведении хозяйственной деятельности и при несоблюдении мер, направленных на защиту водных объектов от загрязнения. Масштабы влияния сельскохозяйственной деятельности на поверхностные воды зависят от природно-хозяйственных особенностей территорий, определяющих величину биогенной нагрузки на водосбор и закономерности выноса биогенных веществ в водные объекты.
Исследование особенностей формирования качественных характеристик склонового стока с сельскохозяйственных территорий ведется с 1980-х годов [1, 2]. В последние годы значительное количество работ в данном направлении проведено в Европейской части России, в т. ч. при оценке биогенной нагрузки на трансграничные водные объекты [3-5]. В настоящее время разрабатывается ландшафтно-гидрологический метод оценки среднемноголетнего годового выноса биогенных элементов с водосбора в водотоки и водоемы [6]. Проводятся исследования, направленные на моделирование процессов формирования качества склонового стока в пределах водосборного бассейна, в т. ч. на моделирование азотного [7] и фосфорного циклов [8]. Однако некоторые аспекты данного процесса еще не до конца изучены. Например, различаются методы
оценки масштаба выноса биогенных веществ с водосборов при различной водности, доминировании тех или иных форм азота, поступающего в водный объект с антропогенно нарушенной и естественной частей водосбора. Отсутствуют единые подходы к определению массы загрязняющих веществ, а также оценки доли в ней биогенных веществ атмосферного происхождения.
В настоящее время исследования по данным направлениям в пределах Среднего Урала и в Зауралье единичны [9], что не позволяет оценить территориальные закономерности формирования качества склонового стока и масштабы влияния сельскохозяйственной деятельности на качество поверхностных вод.
Проведение исследований на малых водотоках позволяет провести основательный анализ структурных элементов водосбора, выделить створы, замыкающие части водосборов с определенным типом хозяйственного использования (в данном случае - сельское хозяйство) и оценить его влияние на качество вод.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проведены на малых водотоках Среднего Урала - наиболее низкой части Уральских гор, от горы Ослянка (1119 м) до широтного участка реки Уфы (примерно между 56° и 59° северной широты).
В пределах Среднего Урала формирует сток р. Чусовая (левобережный приток р. Камы). Природные особенности ее бассейна способствовали возникновению определенного типа сельскохозяйственного производства: развитие получили фермерские хозяйства, специализирующиеся на разведении крупного рогатого скота (в основном молочного направления), свиноводстве, а также на производстве кормов для животноводческих хозяйств. Кормовыми культурами ежегодно засеивается более 50 % посевных площадей.
Средний Урал не является зернопроизводящим регионом, поэтому животноводство - один из основных источников образования биогенных веществ на водосборах рек, которое при нерациональной утилизации отходов приводит к загрязнению поверхностных и подземных вод соединениями азота и фосфора.
Исследования влияния сельскохозяйственного производства на формирование качества поверхностных вод были проведены на шести малых водотоках - притоках 1 и 2 порядка р. Чусовой. Два из них формируют сток в Предуралье (реки Грязнуха и Утка), четыре - в пределах восточного склона Уральских гор (реки Омелевка, Стебеневка, Каменка, Зеленая).
Водосборы Предуралья. Река Грязнуха - правобережный приток р. Утки, которая, в свою очередь, впадает в Чусовую. Река протекает в Нижнесергин-ском районе Свердловской области. Длина реки 7,6 км, значительная часть ее водосбора вовлечена в сельскохозяйственное использование. Древесно-кустарниковая растительность занимает часть водосбора в верховьях реки. В сухие годы, в период летней межени, река в своих верховьях пересыхает. Сток формируется в основном в пределах сельскохозяйственной части водосбора.
В средней части водосбора расположено фермерское хозяйство, занимающееся разведением крупного рогатого скота молочного направления (200 голов). На полях, принадлежащих фермерскому хозяйству, выращи-
вают фуражные культуры - однолетние и многолетние травы, часть сельскохозяйственных земель засевается овсом. Для удобрения сельскохозяйственных угодий используются отходы животноводческого комплекса, часть которых вывозится на поля в зимнее время, что может способствовать увеличению выноса биогенных веществ в водные объекты. Река Утка -один из основных левых притоков Чусовой. Течет в северном направлении по территории Первоуральского и Нижнесергинского районов Свердловской области. Створ наблюдений расположен на расстоянии 44,36 км от ее устья. Площадь водосбора до створа наблюдений - 53,64 км2. Река протекает среди небольших возвышенностей, заросших хвойно-мелколиственными лесами, местами на берегах имеются обширные открытые пространства -поля и покосы.
Для водосборов данных рек характерны дерново-подзолистые и горные лесные бурые оподзоленные почвы [10]. Подстилающие породы представлены преимущественно элювиально-делювиальными отложениями - продуктами выветривания основных метаморфических пород1. Почвы западного склона Уральских гор отличаются тяжелым механическим составом и достаточно низкой водопроницаемостью. Обеспеченность почв сельскохозяйственных угодий нитратным и аммонийным азотом (табл. 1) очень низкая [11].
В соответствии со специализацией района, сельскохозяйственные земли водосборных территорий заняты фуражными культурами (табл. 2). Таблица 1. Содержание азота и фосфора в сельскохозяйственных почвах водосборов рек Предуралья Table 1. Nitrogen and phosphorous content in agricultural soils of the Western Ural river catchments
Водосбор реки Формы азота, мг/кг Общий фосфор рН
аммонийный нитратный нитритный % мг/кг
р.Грязнуха < 5 4,4±G,9 G,11±G,G4 G,184±G,G23 184 6,84±G,1G
р. Утка < 5 8,4±G,6 G,G6±G,G2 G,336±G,G38 336 5,61±G,1G
Таблица 2. Структура водосборов рек Предуралья Table 2. The Western Ural rivers catchment structure
Водоток Площадь, км2
водосбор до створа наблюдений сельскохозяйственные земли лес, км2 % поселковые земли
всего ячмень однолетние травы многолетние травы
р. Грязнуха 6,90 3,74 - 0,51 3,23 2,46 35,7 0,70
р. Утка 53,64 4,94 G,95 2,10 1,89 48,32 9G,G 0,38
1 Почвенная карта Свердловской области. М 1: 500000. ГУГК СССР, 1990.
Водосборы восточного склона Уральских гор. Реки Омелевка, Стебе-невка и Каменка являются правобережными притоками р. Полдневой Чу-совой. Часть земель водосборных территорий всех трех рек используется фермерским хозяйством для выращивания сельскохозяйственных культур. Фермерское хозяйство, расположенное в западной части водосбора р. Каменки, занимается производством и реализацией молока и мяса говядины, а также заготовкой сена. На ферме принято бесподстилочное содержание скота.
Длина р. Омелевки - 5,39 км. Верховья и средняя часть водосбора покрыты лесокустарниковой растительностью с преобладанием мелколиственных пород. В низовьях водосбор реки используется для выращивания фуражных культур. Длина р. Стебеневки составляет 5,36 км. На правобережной части ее водосбора выращивают многолетние травы, на левобережной - однолетние зернобобовые фуражные культуры. Водосбор распахивается практически до поймы, которая у реки достаточно узкая - около 3-4 метров. Створ наблюдений находится на расстоянии 1,5 км от устья. Река Каменка является левобережным притоком р. Стебеневки. Ее водосбор используется тем же фермерским хозяйством для выращивания фуражных культур. Створ наблюдений расположен в устье реки.
Река Зеленая (3,3 км) протекает по территории Полевского городского округа в пределах южной окраины г. Полевского. Она впадает в Верхний пруд, расположенный на р. Полевой (левый приток р. Чусовой). Створ наблюдений находится в 0,78 км от устья реки. Практически весь водосбор, за исключением узкой полосы в его восточной части, вовлечен в сельскохозяйственное использование (табл. 3). В западной части водосбора размещен свинокомплекс, его отходы используются для удобрения полей на водосборе р. Зеленой.
Таблица 3. Структура водосборов рек восточного склона Уральских гор
Table 3. Structure of river catchments of the Ural Mountains Eastern slope
Водоток Площадь, км2
водосбор до створа наблюдений сельскохозяйственные земли лес, км2 %
всего многолетние травы однолетние травы
р. Омелевка 5,39 3,62 1,18 2,44 1,77 32,8
р. Каменка 13,01 2,21 0,87 1,34 10,80 83,0
р. Стебеневка 26,00 2,90 1,01 2,42 21,72 83,5
р. Зеленая 5,21 3,44 2,43 1,01 1,77 33,9
Водосборы рек Омелевки, Стебеневки, Каменки расположены в Уфалей-ском почвенном районе, реки Зеленой - в Полевском районе, входящих в состав Кузино-Полевского округа Среднеуральской южно-таежной почвенной провинции [10]. В почвенном покрове водосборов на возвышенных местах преобладают горные лесные бурые и горные дерново-подзолистые почвы. На выровненных участках между возвышенностями сформировались серые лесные почвы, которые включены в сельскохозяйственное использование.
В сельскохозяйственных почвах водосборов рек восточного склона Уральских гор содержание азота и фосфора практически в два раза выше по сравнению с почвами водосборов Предуралья (табл. 4), однако обеспеченность азотом остается низкой.
Таблица 4. Содержание азота и фосфора в сельскохозяйственных почвах водосборов рек восточного склона Уральских гор Table 4. Nitrogen and phosphorous content in agricultural soils of the river catchments of the Ural Mountains Eastern slope
Водосбор реки Формы азота, мг/кг Общий фосфор рН
аммонийный нитратный нитритный % мг/кг
р. Омелевка < 5 11,8±0,9 0,25±0,10 0,41±0,05 410 7,37±0,10
р. Стебеневка < 5 7,2±0,5 0,20±0,08 0,37±0,04 370 6,01±0,10
р. Зеленая < 5 10,2±0,8 0,16±0,06 0,062±0,011 62 6,41±0,10
Для оценки влияния сельскохозяйственной деятельности на качество вод малых водотоков была определена годовая нагрузка биогенных веществ (азота и фосфора) на их водосборы и оценена масса их выноса в водные объекты как со всего водосбора, так и с единицы площади. Также проведены наблюдения за динамикой концентраций азота и фосфора в водных объектах в зависимости от водности. Водотоки и створы наблюдений выбраны так, чтобы исключить организованные сбросы сточных вод в водные объекты выше створов наблюдений и иное, помимо сельскохозяйственного, антропогенное воздействие на водосбор. При оценке биогенной нагрузки учитывали поступление азота и фосфора из атмосферы, внесение удобрений под сельскохозяйственные культуры, а также образование биогенных веществ на животноводческих комплексах и в сельских населенных пунктах.
Поступление на водосборы биогенных веществ с жидкими атмосферными осадками рассчитано, исходя из их количества в период с 1 апреля по 31 октября и среднегодовых концентраций биогенных веществ в дождевых водах. Концентрации установлены как средние арифметические значения по трем ближайшим метеостанциям Глобальной службы атмосферы за период с 2008 по 2018 гг. Количество осадков за теплый период определено по ближайшим к водосборам метеостанциям: водосборы Предуралья - метеостанция г. Ревды; водосборы восточного склона Уральских гор - метеостанция г. Сысерти.
Массу поступивших на водосбор за зимний период биогенных веществ рассчитывали на основе запасов воды в снеге перед снеготаянием и концентраций контролируемых веществ в пробах снега. Запасы воды установлены по результатам снегомерных съемок на сельскохозяйственных угодьях каждого водосбора. Отбор проб снега на химический анализ на каждом из водосборов проведен классическим методом.
Образование биогенных веществ на водосборе в результате функционирования животноводческих комплексов определяли на основе методических рекомендаций рекомендаций2,3,4. Количество биогенных веществ, образующихся в сельских населенных пунктах, оценивали, исходя из численности проживающего в них населения, количества скота в частных подворьях и, ориентировочно, доз удобрений, вносимых на приусадебные участки.
Для оценки выноса биогенных веществ с водосборов и динамики их концентраций в речных водах в выбранных створах проведены наблюдения за расходами, отборы проб речной воды на химический анализ. Наблюдения велись в период с начала снеготаяния и до наступления осенней межени. Химические анализы проб воды выполнены в лаборатории ФГБУ РосНИИВХ по аттестованным методикам. Исходя из рассчитанного объема стока и концентраций в нем биогенных веществ, проведена оценка массы их выноса как со всего водосбора, так и с единицы площади в период весеннего половодья и летней межени.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Вынос биогенных веществ в водные объекты происходит с любого водосбора, даже если его территория не подвержена антропогенному воздействию. Водные объекты в зоне сельскохозяйственной деятельности получают дополнительную нагрузку биогенными веществами, которая может привести к эв-трофированию водотоков и особенно небольших прудов, даже если концентрации биогенных веществ не превышают предельно допустимых значений.
Годовое поступление биогенных веществ на территорию водосбора, включенного в сельскохозяйственное использование, может быть выражено следующим образом:
В = В + В + В + В ,
атм у нп жк
где В - суммарное поступление биогенных веществ на площадь водосбора за год; Ватм - поступление биогенных веществ с атмосферными осадками; Ву - количество биогенных веществ, поступающих на сельскохозяйственные угодья в результате внесения удобрений;
Внп - биогенные вещества, формирующиеся на территориях населенных пунктов;
В - биогенные вещества, формирующиеся на животноводческих комплексах.
2 РД-АПК 1.10.15.02-17 Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета.
3 РД-АПК 1.10.02.01-13 Методические рекомендации по технологическому проектированию свиноводческих ферм крестьянских (фермерских) хозяйств.
4 РД-АПК 1.10.01.01-18 Методические рекомендации по технологическому проектированию ферм и комплексов крупного рогатого скота.
Поступление биогенных веществ с атмосферными осадками также играет существенную роль в их балансе на водосборе. За время наблюдений количество осадков по метеостанции Сысерть в зимний и летний периоды было близко к средним многолетним значениям. По метеостанции г. Ревды количество твердых осадков отмечено ниже среднемноголетних значений - 110,2 мм (при среднем многолетнем значении 128,9 мм), летних - несколько выше среднемноголетних значений - 404,3 мм (среднее многолетнее - 348,0 мм). Слои стока весеннего половодья по водотокам были близки к средним многолетним значениям: по рекам Грязнуха, Омелевка и Стебеневка отличались на 10-15 % в меньшую сторону, слой стока р. Утка был больше среднемноголетнего значения на 15 %, Каменки и Зеленой - равен средним многолетним значениям.
Как показали проведенные исследования, концентрации ионов азота в талых снеговых водах имеют близкие значения на всех исследованных водосборах, особенно в пересчете на минеральный азот (табл. 5).
Близки к концентрациям в снеговых водах показатели содержания ионов азота и фосфора в жидких осадках, полученные путем осреднения данных станций фонового мониторинга (табл. 6).
Таблица 5. Средние концентрации биогенных веществ в талых снеговых водах перед снеготаянием Table 5. Biogenic substances average concentrations in melt-snow waters prior to snow melt
Водосбор NH4+ NO3- NO2- N мин PO43-
р. Грязнуха 0,34±0,12 1,73±0.31 <0,02 0,б5 <0,05
р. Утка 0,28±0,10 1,б8±0.20 <0,02 0,б0 <,05
р. Омелевка 0,б1±0,21 1,27±0.23 0,022±0,004 0,77 <0,05
р. Стебеневка 0,39±0,14 1,32±0.24 <0,02 0,б0 0,0б2±0,010
р. Зеленая 0,47±0,1б 1,21±0,22 <0,02 0,б4 <0,05
Таблица 6. Осредненные концентрации биогенных элементов
в жидких атмосферных осадках за период 2008-2018 гг.
по станциям фонового мониторинга
Table 6. Averaged concentrations of biogenic elements
in liquid atmospheric precipitations over the period from 2008
to 2018 in terms of the background monitoring stations
Ингредиент NH4+ NO3- N мин PO43- Р мин
Концентрация, мг/дм3 0,5б 1,38 0,75 0,08 0,03
В соответствии с расчетом количество биогенных веществ, поступающих на единицу площади всех водосборов из атмосферы, примерно одинаково и колеблется от 3 до 3,5 кг/га минерального азота и примерно 0,1 кг/га фосфора. При размещении на водосборах животноводческих комплексов биогенная нагрузка на них значительно возрастает - реки Грязнуха, Стебеневка, Зеленая (табл. 7). Наибольшую сельскохозяйственную нагрузку испытывает водосбор р. Зеленой, на котором находятся свиноводческий комплекс и ферма крупного рогатого скота.
Таблица 7. Нагрузка минеральным азотом и фосфором на водосборы
Table 7. Mineral nitrogen and phosphorous load upon catchments
Водосбор N кг/га мин Р кг/га мин
р. Грязнуха 10.65 5.68
р. Утка 3.86 0.14
р. Омелевка 3.11 0.10
р. Каменка 3.99 0.13
р. Стебеневка 15.62 9.56
р. Зеленая 27.43 23.67
В периоды повышенной водности часть биогенных веществ поступает в водные объекты, приводя к росту концентрации в воде ионов азота и фосфора. Очевидно, что на первом этапе снеготаяния рост концентраций биогенных веществ происходит при водоотдаче из снега, содержащего привнесенные из атмосферы ионы азота и фосфора. Затем концентрации растут в результате вымывания биогенных веществ из почв. В наибольшей степени близки к значениям ПДКрх, а иногда превышают их, концентрации ионов аммония: если до половодья их значения составляли 0,087 мг/дм3 (р. Стебеневка) и 0,074 мг/дм3 (р. Утка), то на его пике они выросли до 0,31-0,36 мг/дм3. В р. Зеленой содержание аммония превысило значения ПДКрх, достигнув 0,56-0,60 мг/дм3. По сравнению с зимними меженными значениями в период половодья его концентрации выросли следующим образом: р. Грязнуха - в 1,6 раза, р. Сте-беневка - в 4, р. Зеленая - в 11 раз (рис. 1). Наибольший рост концентраций ионов аммония в р. Зеленой связан со значительной сельскохозяйственной нагрузкой на ее водосбор.
Практически по всем водотокам отмечен рост концентраций иона аммония при переходе к зимней межени. Данный факт можно объяснить снижением активности нитрифицирующих бактерий при снижении температуры воды.
В период весеннего половодья в реках также выросли концентрации нитратов (рис. 2), однако превышения значений ПДКрх не зарегистрировано. Если до паводка их концентрации находились в диапазоне от 1,5 до 2,0 мг/дм3,
1,2 -i l ■
о §
8 0,4 -j
Ph
0,2 -
0
16.03.19 04.06.19
Г 0,25
"s
0,2
0,25 0,2 -
- °.'5 § S o,15 -I 3
0,1
0,05 I о
0 «
е- s I £
0,1
0,05 ^
0
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
23.08.19
11.11.19
24.02.19 15.05.19 03.08.19 22.10.19
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
16.03.19 04.06.19 23.08.19
г 0,5
- 0,4
- 0,3
- 0,2 - 0,1 - 0
11.11.19
0,6 п
0,5 -0,4 0,3 0,2 -0,1 -0
0,6 0,5 0,4 0,3 - 0,2 - 0,1 0
16.03.19 04.06.19 23.08.19 11.11.19
24.02.19 15.05.19
03.08.19
22.10.19
16.03.19
а
г
в
Рис 1. Динамика концентраций иона аммония: а - р. Утка; б - р. Грязнуха; в - р. Каменка; г - р. Стебеневка; д - р. Омелевка; е - р. Зеленая; точками обозначена концентрация аммония, сплошной линией - расход воды в створе наблюдений.
Fig. 1. The ammonia ion concentrations dynamics: а is the Utka River; б is the Gryaznukha River; в is the Kamenka River; г is the Stebenevka River; д is the Omelevka River; and е - is the Zalenaya River.
то в период половодья они выросли - до 14,7 мг/дм3 (р. Омелевка) и 28,6 мг/дм3 (р. Зеленая). В остальных водотоках рост концентраций нитрат-ионов был меньше: р. Каменка 2,6-3,2 мг/дм3, р. Стебеневка 3,4-6,2 мг/дм3, р. Утка 4,0-4,5 мг/дм3, р. Грязнуха 6,6-8,6 мг/дм3. После прохождения паводка концентрации нитратов снова снизились до 0,45-0,85 мг/дм3 (реки Омелевка, Каменка, Стебеневка, Утка). Более высокие концентрации после снижения расходов отмечены в р. Зеленой (1,12 мг/дм3) и в р. Грязнухе (2,14 мг/дм3).
Концентрации фосфат-ионов во всех водотоках в период весеннего половодья превысили значения ПДКрх: р. Омелевка 0,61 мг/дм3; р. Стебеневка 0,14-0,17 мг/дм3; р. Зеленая 1,71 мг/дм3; р. Грязнуха 0,24-0,36 мг/дм3; р. Утка 0,19 мг/дм3. После прохождения весеннего половодья концентрации фосфатов снизились до значений 0,05-0,08 мг/дм3 (рис. 3).
1,2 1
о
^0,8
§ 0,6 х
8 0,4
Он
0,2
а
о
16,03,19
0,5 0,4 \ 0,3 0,2 -0,1 0
04.06,19
23.08.19
0,25 0,2
О
2 0,15 ч
о
3 0,1 га
О-
0,05
16.03.19 04.06.19
23.08.19
0 И 11.11.19
3,5§ 3 ^
2,51
I" 2 §
5fr
н
I 1 я
I (11
0 £
0
16.03.19
0,6 0,5 0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0
04.06.19 23.08.19
г
н
I
<и я
Я о У
11.11.19
7 6
- 5
- 4
- 3 2 1 0
11.11.19
16.03.19
04.06.19
23.08.19 11.11.19й
г 30 25
20 J §
О,
Ю £ 5 ?
о £
16.03.19 04.06.19 23.08.19 11.11.19
Рис. 2. Динамика концентраций нитратов: а - р. Утка, б - р. Грязнуха, в - р. Каменка, г - р. Стебеневка, д - р. Омелевка, е - р. Зеленая; точками обозначена
концентрация нитратов; сплошная линия - расход воды в створе наблюдений. Fig. 2. The nitrates concentration dynamics: а is the Utka River; б is the Gryaznukha River; в is the Kamenka River; г is the Stebenevka River; д is the Omelevka River; and е is the Zalenaya River.
Таблица 8. Вынос биогенных веществ с водосборов в период весеннего половодья 2019 г.
Table 8. The biogenic substances carry-over from catchments during the period of spring high water in 2019
Водоток Масса выноса, кг Удельный вынос, кг/га
nh4+ NO3- NO2- po/- nh4+ NO3- NO2- po/- N мин P мин
р. Омелевка 37,64 739,66 4,59 33,09 0,070 1,372 0,009 0,061 0,367 0,020
р. Каменка 403,06 2921,88 31,29 123,39 0,243 1,762 0,019 0,074 0,593 0,024
р. Стебеневка 520,89 4953,78 47,26 197,43 0,220 1,978 0,019 0,077 0,623 0,025
р. Зеленая 52,69 1322,28 6,15 62,25 0,090 2,755 0,012 0,048 0,696 0,016
р. Грязнуха 89,01 2464,20 15,11 118,83 0,129 3,571 0,022 0,172 0,913 0,056
р. Утка 897,76 12010,80 114,01 536,11 0,181 2,325 0,022 0,107 0,672 0,035
б
в
е
В наибольшей степени концентрации биогенных веществ в период весеннего половодья возросли в реках Омелевке и Зеленой, для которых характерен малый процент занятых лесом земель и значительная вовлеченность водосборов в сельскохозяйственное использование. На водосборной территории р. Зеленой кроме сельскохозяйственных угодий находится свиноферма, отходы которой вывозятся на поля, в т. ч. и зимой. Для данного водотока характерны и самые высокие концентрации фосфатов на пике половодья - 1,71 мг/дм3 (0,56 по фосфору), что в два раза выше ПДКрх для эвтрофных водоемов.
Концентрации биогенных элементов в водотоках повышались и при выпадении летних осадков, в частности, в период дождей с 1 по 5 июля. Рост содержания биогенных элементов в воде в данном случае зафиксирован меньше, чем весной, однако в некоторых случаях их концентрации во время дождей превышали значения весеннего периода: например, фосфатов в р. Утка (рис. 3).
11.11.19
16.03.19 04.06.19
23.08.19
0,08
0,06
0,04
0,02 -
1,5
04.06.19
23.08.19
11.11.19
0
16.03.19 04.06.19
23.08.19
s
g
о.
- 0,5
0 «
11.11.19
e
Рис. 3. Динамика концентрации фосфат-ионов: а - р. Утка; б - р. Грязнуха; в - р. Каменка; г - р. Стебеневка; д - р. Омелевка; е - р. Зеленая; точками обозначена концентрация фосфатов, сплошной линией - расход воды в створе наблюдений. Fig. 3. The phosphat-ions concentration dynamics: а is the Utka River; б is the Gryaznukha River; в is the Kamenka River; г is the Stebenevka River; д is the Omelevka River; and е is the Zalenaya River; dots show the phosphats concentration, the firm line shows water flow in the observation range.
Важным показателем масштабов влияния сельскохозяйственной деятельности на водные объекты является величина выноса биогенных веществ с водосборов в водные объекты. По вычисленным объемам стока за периоды весеннего половодья и летнюю межень, а также средним концентрациям контролируемых ингредиентов в данные периоды рассчитаны массы выноса биогенных элементов (ионы азота и фосфора, суммарный минеральный азот и минеральный фосфор). Определен также удельный вынос минерального азота и фосфора с единицы площади каждого водосбора (табл. 8).
За период весеннего половодья с водосборов в наибольшей степени выносятся нитраты, что является давно установленным фактом. Масштабы выноса нитратов стоком половодья определяются величиной азотной нагрузки на водосбор.
Наличие на водосборе леса увеличивает долю поступающего в водотоки в период повышенной водности аммонийного азота. При лесистости водосбора 80-90 % вынос аммонийного азота составляет более 30 % от выноса всего минерального азота. Значительную роль в выносе с водосбора азота аммония играет лес, что демонстрирует график связи величины его удельного выноса с лесистостью водосборов (рис. 4).
о,з--
о -I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Лесистость водосбора, %
Рис. 4. Связь удельного выноса аммония с лесистостью водосбора.
Fig. 4. Interconnection between the ammonia specific carry-over and the catchment forest percentage.
Существенный вынос азота аммония с лесных водосборов объясняется более высоким содержанием данной формы азота в лесных подстилках. Почвы, вовлеченные в сельскохозяйственное использование, отличаются лучшими условиями аэрации, нейтральной или близкой к ней реакцией почвенного раствора. Этим определяется большее содержание в них нитрофицирующих микроорганизмов, способных окислять азот аммония до нитратов [12].
Несмотря на то что содержание нитратов и аммония лишь эпизодически превышало значение предельно допустимых концентраций, массы выноса биогенных веществ с водосборов достигли значительных величин. Так, с во-
досбора р. Утки за период весеннего половодья 2019 г. в водный объект поступило 897,76 кг аммония, 12010,80 кг нитратов, 536,11 кг фосфатов и 114,01 кг нитритов. При переводе на азот и фосфор получается, что со стоком половодья с расположенной выше створа наблюдений части водосбора в реку поступило более трех тонн минерального азота и 175 кг фосфора.
Объективно оценить масштабы влияния рассредоточенного стока с водосбора на формирование качества речных вод можно по величине выноса загрязняющих веществ с единицы площади водосбора (рис. 5).
Рис. 5. Удельный вынос минерального азота и его ионов с водосборов. Fig. 5. The mineral nitrogen and its ions specific carry-over from catchments.
Исходя из данного показателя, наибольшее загрязнение склонового стока происходит на водосборах рек Грязнухи и Зеленой: для них характерен самый высокий вынос нитратов и минерального азота с единицы площади водосбора. В границах водосборных территорий данных водотоков расположены животноводческие фермы, практикуется также вывоз отходов животноводства на поля в зимнее время.
Высокий вынос биогенных веществ с единицы площади водосбора р. Утки, несмотря на незначительную нагрузку на единицу площади водосбора, объясняется, с одной стороны, его значительной общей площадью, с другой, - активным антропогенным воздействием на часть водосбора, примыкающую к створу наблюдений.
Для р. Грязнухи отмечен наибольший удельный вынос с водосбора растворенного минерального фосфора (рис. 6). В отличие от азота, соединения которого неустойчивы в почве и легко теряются в результате денитрифика-ции и вымывания, большая часть фосфорных соединений нерастворима и
практически не вымывается из почвы. Фосфор, вносимый с удобрениями и освобождаемый при выветривании фосфорсодержащих первичных минералов, наиболее интенсивно взаимодействует с коллоидными частицами почвы. Содержание его в илистой фракции почвы всегда выше, чем в более крупных фракциях, следовательно, наибольшее количество фосфора выносится с сельскохозяйственных угодий в составе илистых частиц.
Рис. 6 Удельный вынос растворенного минерального фосфора с единицы площади водосбора. Fig. 6. The dissolved mineral phosphorous specific carry-over from a unit of the catchment area.
В летний период содержание всех форм азота и фосфора в речном стоке всех форм азота и фосфора значительно ниже, чем в период весеннего половодья (рис. 1, рис. 2, рис. 3). Небольшие концентрации и объем стока определяют значительно более низкую массу биогенных элементов, поступающих в водные объекты с водосборов (табл. 9).
В летний период нитраты легко усваиваются растениями, а слои стока дождевых паводков, которые наблюдались летом 2019 г., были значительно ниже слоя стока весеннего половодья и не приводили к существенному росту концентраций биогенных элементов в водных объектах.
В летний период в формировании качества вод существенно возрастает роль внутрипочвенного стока, с которым в водотоки могут поступать нитраты. Снижение в период летней межени выноса нитратов происходит в наибольшей степени на малых водотоках, в питании которых роль подземных вод незначительна. Это реки Омелевка и Зеленая, где наблюдалось уменьшение их выноса в 12-15 раз. В более крупные водотоки поступление нитратов происходит и в результате разгрузки почвенно-грунтовых вод. На данных водотоках наблюдалось снижение выноса нитратов в 4-8 раз (табл. 9).
Поступление фосфора в водные объекты в период летней межени незначительно, что связано с низкой растворимостью фосфатов и потреблением их растительностью в период вегетации (табл. 10).
Таблица 9. Поступление азота в водные объекты в период летней межени Table 9. Input of nitrogen to water bodies during the period of summer low-water period
Водосбор Масса выноса, кг Удельный вынос, кг/га
NH4- NO3- NO2- N мин NH4+ NO3- NO2- N мин
р. Омелевка 9,06 58,82 1,35 20,74 0,017 0,109 0,003 0,038
р. Каменка 33,17 449,54 4,53 128,69 0,020 0,271 0,003 0,078
р. Стебеневка 59,75 557,19 8,71 174,95 0,023 0,214 0,003 0,067
р. Зеленая 7,52 82,87 1,43 25,00 0,014 0,159 0,003 0,048
р.Грязнуха 6,98 560,85 2,28 132,76 0,010 0,813 0,003 0,192
р. Утка 269,84 3221,99 50,34 952,79 0,050 0,601 0,009 0,178
Таблица 10. Поступление фосфора в водные объекты в период летней межени Table 10. Input of phosphorous to water bodies during the period of summer low-water period
Водосбор Средняя концентрация PO43-, мг/дм3 Масса выноса, кг Удельный вынос, кг/га
PO43- P PO43- P
р. Омелевка 0,163 9,37 3,06 0,017 0,006
р. Каменка 0,056 12,46 4,07 0,008 0,002
р. Стебеневка 0,083 29,95 9,79 0,012 0,004
р. Зеленая 0,151 9,07 2,96 0,017 0,006
р. Грязнуха 0,140 15,17 4,96 0,022 0,007
р. Утка 0,125 315,65 103,15 0,059 0,019
ВЫВОДЫ
Исследования, проведенные на малых водотоках Среднего Урала, подтвердили влияние сельскохозяйственной деятельности на формирование качества вод. Под влиянием сельскохозяйственного использования водосборов в водных объектах растут концентрации азота и фосфора, особенно весной в период снеготаяния. Масса биогенных веществ, поступающая в водные объекты, определяется величиной их нагрузки на водосборные территории. При отсутствии крупных зерноводческих хозяйств, в которых регулярно используются минеральные удобрения, в рассматриваемых условиях главную роль в формировании биогенной нагрузки на водосборы играет животноводство.
В наибольшей степени с водосборов выносятся нитраты. Там, где высока лесистость водосборов, в весенний период возрастает роль ионов аммония в формировании качества вод. Динамика выноса нитратов в зависимости от фазы водного режима наиболее ярко проявляется на малых водотоках, в питании которых роль подземных вод незначительна, и менее заметна на крупных водотоках, куда нитраты поступают и с разгрузкой почвенно-грунтовых вод.
Концентрации биогенных элементов в водотоках (аммония и фосфатов) превышают значения рыбохозяйственных предельно допустимых концентраций лишь на пике половодья. При этом масса выноса минерального азота достигает значительных величин, что снижает плодородие сельскохозяйственных земель и может привести к эвтрофированию поверхностных вод.
Полученные оценки выноса биогенных элементов с водосборных территорий, а также их поступление из атмосферы могут быть использованы как для расчета баланса азота и фосфора на сельскохозяйственных водосборах с целью расчета доз внесения удобрений под сельскохозяйственные культуры, а также для учета масс поступления загрязняющих веществ с водосбора при расчете нормативов допустимого воздействия на водный объект.
Для снижения негативного влияния сельскохозяйственной деятельности на водные объекты и сохранения плодородия почв необходимо внедрение комплекса агротехнических мероприятий, направленных на снижение слоя стока с полей, а также соблюдение правил утилизации отходов животноводческих комплексов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Башкин В.Н., Кудеяров А.Ю. Смыв азота, фосфора и калия с водосборных территорий рек, дренирующих сельскохозяйственные районы // Водные ресурсы. 1989. № 6. С. 36-45.
2. Коплан-Дикс М.С., Назаров Г.В., Кузнецов В.К. Роль минеральных удобрений в эвтрофиро-вании вод суши. Л.: Наука. Ленинградское отделение, 1985. 180 с.
3. Суханов П.А., Даишев Ш.Т., Перцович А.Ю., Соболева В.Н., Хофман М., Деелстра Й, Бергман Н. Мониторинг стока биогенных веществ // Агрохимический вестник. 2006. № 1. С. 16-23.
4. Кондратьев С.А. Мельник М.М, Шмакова М.В., Маркова Е.Г., Ульянова Т.Ю. Метод расчета внешней нагрузки на Псковско-Чудское озеро с российской территории водосбора // Общество, среда, развитие. 2010. № 1. С. 183-197.
5. Кондратьев С.А., Шмакова М.В., Брюханов А.Ю., Чичкова Е.Ф., Маркова Е.Г. Оценка возможного снижения биогенной нагрузки, сформированной на речном водосборе, в результате внедрения наилучших доступных сельскохозяйственных технологий // Общество. Среда. Развитие. 2016. № 1. С. 92-99.
6. Ясинский С.В., Веницианов Е.В., Вишневская И.А. Диффузное загрязнение водных объектов и оценка выноса биогенных элементов при различных сценариях землепользования на водосборе // Водные ресурсы. 2019. Т. 46. № 2. С. 232-244.
7. Фащевская Т.Б., Мотовилов Ю.Г. Моделирование процессов азотного цикла на речном водосборе Часть I. Источники поступления азота и процессы азотного цикла // Вода: химия и экология. 2017. № 3. С. 15-26.
8. Ясинский Н.С., Даценко Ю.С. Закономерности формирования речного стока фосфора для целей гидрологического моделирования // Природообустройство. 2018. № 1. С. 25-33.
9. Федорова Е.В., Борисова Г.Г. Особенности формирования количественных и качественных характеристик стока малой реки в условиях антропогенного воздействия на водосбор // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 1999. № 1. С. 37-51.
10. Гафуров Ф.Г. Почвы Свердловской области. Екатеринбург: изд. Уральского университета, 2008. 386 с.
11. Гамзиков Г.П. Практические рекомендации по почвенной диагностике азотного питания полевых культур и применению азотных удобрений в сибирском земледелии. М.: ФГБНУ Росинформагротех, 2018. 48 с.
12. Федорова Е.В., Суслова С.М. Влияние лесных биогеоценозов на формирование качества стока малых рек // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2001. Т. 3. № 5. С. 409-421.
REFERENCES
1. Bashkin V.N., Kudeyarov A.Y. Washing-out of nitrogen, phosphorous and potassium from river catchment territories that drain agricultural regions. Water resources [Vodniye resursy]. 1989. No 6. P. 36-45 (in Russ.).
2. Koplan-Dix M.S., Nazarov G.V., Kuznetsov V.K. The mineral fertilizers' role in the inland waters euthrophication. L.: Science [Nauka]. Leningrad office, 1985. 180 p. (in Russ.).
3. Sukhanov P.A., Daishev S.T., Pertsovich A.Y., Soboleva V.N., Hofman M., Deelstra Y., Bergman N. Monitoring of the biogenic substances discharge. Agro/chemical newsletter [Agrokhimiheskiy vestnik]. 2006. No 1. P. 16-23 (in Russ.).
4. Kondratyev S.A., Melnik V.V., Shmakova M.V., Markova E.G., Ulyanova T.Y. A method of calculating of the external load upon the Lake Pskov-Chudskoye from the Russian side of the catchment. Society, environment, development [Obshchestvo, sreda, razvitiye]. 2010. No 1. P. 183-197 (in Russ.).
5. Kondratyev S.A., Shmakova M.V., Bryukhanov A.Y., Chichkova E.F., Markova E.G. Assessment of the possible biogenic load reduction on a river catchment resulted from application of the best available agricultural techniques. Society, environment, development [Obshchestvo, sreda, razvitiye], 2016. No. 1. P. 92-99 (in Russ.).
6. Yasinskiy S.V., Venitsianov E.V., Vishnevskaya I.A. Diffuse pollution of water bodies and assessment of the biogenic elements discharge with various scenario of water use on the catchment territory. Water resources [Vodniye resursy]. 2019. Vol. 46. No 2. P. 232-244 (in Russ.).
7. Fashchevskaya T.B., Motovilov Y.G. Simulating of the nitrogen cycle processes at a river catchment. Part I. Sources of nitrogen input and the nitrogen cycle processes. Water: chemistry and ecology [Voda: khimiya i telhnologiya]. 2017. No 3. P. 15-26 (in Russ.).
8. Yasinskiy N.S., Datsenko Y.S. Regularities of the phosphorous river flow for the purposes of hydro-logical simulation. Arranging of nature [Prirodoobustroystvo]. 2018. No 1. P. 25-33 (in Russ.).
9. Fedorova Y.V., Borisova G.G. Special features of a small river runoff qualitative and quantitative characteristics formation in the conditions of anthropogenic impact upon the catchment. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 1999. No 1. P. 37-51 (in Russ.).
10. Gafurov F.G. The Sverdlovsk Oblast soils. Ekaterinburg: izd. Uralskogo universiteta, 2008. 386 p. (in Russ.).
11. Gamzikov G.P. Practical recommendations on soil diagnosis of nitrogen nutrition of field crops and application of nitrogen fertilizers in Siberian farming. M.: FGBNU Rosinformagrotekh, 2018. 48 p. (in Russ.).
12. Fedorova Y.V., Suslova S.M. Impact of forest bio/geo/ceonoses on the small rivers runoff quality formation. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2001. Vol. 3. № 5. С. 409-421 (in Russ.).
Сведения об авторах:
Федорова Елена Владимировна, канд. геогр. наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», Россия, 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23; e-mail: ev_fedorova@mail.ru
Карпунина Оксана Петровна, ведущий инженер-исследователь, ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», Россия, 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23; e-mail: karpunina_o@mail.ru
Щипачева Людмила Александровна, ведущий инженер-исследователь, ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», Россия, 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23; e-mail: schipacheva@list.ru
Беляева Ирина Улдисовна, ведущий инженер-исследователь, ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», Россия, 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23; e-mail: uldizar@gmail.com
About the authors:
Yelena V. Fedorova, Candidate of Geographical Sciences, Leading Researcher, Russian Research Institute for Integrated Water Management and Protection, ul. Mira, 23, Ekaterinburg, 620049, Russian Federation; e-mail: ev_fedorova@mail.ru
Oksana P. Karpunina, Leading Researcher/Engineer, Russian Research Institute for Integrated Water Management and Protection, ul. Mira, 23, Ekaterinburg, 620049, Russian Federation; e-mail: karpunina_o@mail.ru
Lyudmila A. Shchipacheva, Leading Researcher/Engineer, Russian Research Institute for Integrated Water Management and Protection, ul. Mira, 23, Ekaterinburg, 620049, Russian Federation; e-mail: schipacheva@list.ru
Irina U. Belyaeva, Leading Researcher/Engineer, Russian Research Institute for Integrated Water Management and Protection, ul. Mira, 23, Ekaterinburg, 620049, Russian Federation; e-mail: uldizar@gmail.com
