CC BY
66
УДК 556.55.8
DOI: 10.24411/1728-323X-2019-16092
ВЫПАДЕНИЯ БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ С АТМОСФЕРНЫМИ ОСАДКАМИ В БАССЕЙНЕ СРЕДНЕЙ И НИЖНЕЙ ВОЛГИ
Е. А. Минакова, к. г. н., доцент кафедры биоэкологии, Казанский (Приволжский) федеральный университет, elena.minakova@kpfu.ru, А. П. Шлычков, к. г. н., старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Казань, Россия
Приведены результаты анализа годовой изменчивости влажных выпадений из атмосферы соединений азота и фосфора в бассейне Средней и Нижней Волги за период 2011—2015 гг. Выявлены основные особенности пространственного распределения биогенной нагрузки влажных атмосферных выпадений соединений азота и фосфора. Показано, что среднее значение модуля атмосферных выпадений соединений азота и фосфора составляет 0,7 т N км-2 год-1 и 0,027 т P км-2 год-1, соответственно.
The results of the analysis of the annual variability of total depositions of nitrogen and phosphorus compounds in the Middle and Lower Volga basin over the period of 2011—2015 are presented. The atmospheric deposition of nitrogen and phosphorus compounds are calculated. The main features of the spatial distribution of the nutrient load of wet atmospheric deposition of nitrogen and phosphorus compounds in the Middle and Lower Volga basin are identified. It was established that the moduli of the deposition of nitrogen and phosphorus compounds amounted to 0.7 t N km-2 year-1 and 0.027 t P km-2 year-1.
Ключевые слова: влажные выпадения, соединения азота и фосфора, биогенные элементы, бассейн Средней и Нижней Волги.
Keywords: wet sediments, nitrogen and phosphorus compounds, biogenic elements, the Middle and Lower Volga basin.
Введение. Среди современных проблем экологии особое место занимает проблема эвтрофикации водных объектов, обусловленная поступлением и накоплением биогенных элементов на водосборе и в водных объектах. Эвтрофикация — повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием природных или антропогенных факторов. Основной движущей силой процессов эвтрофикации водоемов являются биогенные элементы (соединения азота, фосфора, углерода) [1]. Эти элементы являются важнейшими компонентами природных вод, которые определяют биологическую продуктивность. Избыточное количество биогенных элементов запускает процессы интенсивного роста водной растительности и ухудшения качества воды.
Для рационального управления водными объектами актуальным вопросом является количественная оценка внешней биогенной нагрузки на водосбор от точечных и диффузных источников (внесение органических и минеральных удобрений, поверхностный сток, животноводческие комплексы, выпадение из атмосферы) и т. д. [2—5].
Знание антропогенных источников эвтрофирующих веществ и количественная оценка их поступления в водотоки и водоемы открыли бы новые, более широкие возможности прогноза эвтрофирования и управления водными экосистемами [6].
Загрязнение атмосферного воздуха обусловлено как природными, так и антропогенными факторами. К природным источникам загрязнения атмосферного воздуха относятся выбросы в атмосферный воздух, обусловленные вулканической активностью, выветриванием горных пород, торфяными и лесными пожарами, а также пыльными бурями, и др. Так, только за счет вулканической активности в атмосферный воздух ежегодно поступает примерно 40 млн т вредных опасных для окружающей среды загрязняющих веществ. К антропогенным источникам загрязнения атмосферного воздуха относятся выбросы в атмосферный воздух объектов экономики, мобильных источников, а также полигонов твердых бытовых и промышленных отходов и свалок и др.
Газообразный молекулярный азот составляет 79 % воздуха атмосферы по массе. Естественными факторами поступления азота в атмосферу являются: почвенная эмиссия оксидов азота, в процессе деятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий, грозовые разряды, горение биомассы,
прочие источники естественных выбросов оксидов азота (окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота и т. д.). Загрязнение атмосферного воздуха соединениями азота обусловлено сжиганием углеводородного сырья объектами энергетики и мобильными источниками выбросов. В то же время оксиды азота являются предшественниками нитрат-ионов во влажных атмосферных выпадениях. Существенный вклад в загрязнение атмосферного воздуха соединениями азота вносят также объекты экономики, производящие некоторые виды удобрений, красителей и кислот. По данным Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова, основная масса азота из атмосферы на подстилающую поверхность земли поступает в виде аммонийных солей [7].
Основными источниками поступления фосфора в атмосферный воздух являются эоловая эрозия почвенного покрова, торфяные и лесные пожары. Другие источники дают не более 1 % общего поступления фосфора [8]. Существенную роль могут играть продукты метаболизма наземной растительности (споры, пыльца, мелкие растительные остатки), что качественно подтверждается данными [9], но пока не может быть количественно оценено. Кроме того, так как состав атмосферных осадков определяется преимущественно процессами взаимодействия атмосферной влаги и аэрозолей, концентрация фосфора зависит главным образом от запыленности воздуха [10].
Одним из факторов, контролирующих эвтро-фикацию водоемов и водотоков, являются сухие и влажные выпадения соединений азота и фосфора из атмосферного воздуха, что обусловливает необходимость изучения динамики этих процессов. По сути, сухие и влажные выпадения загрязняющих веществ с атмосферными осадками являются одним из механизмов самоочищения атмосферного воздуха. Сухие выпадения загрязняющих веществ из атмосферного воздуха обусловлены влиянием гравитации, а влажные — сорбцией атмосферными осадками загрязняющих веществ с последующим поступлением их на подстилающий покров.
В продолжение ранее начатых исследований [11—14] цель данной работы — оценка величины атмосферных выпадений биогенных элементов и их пространственного распределения в бассейне Средней и Нижней Волги (без Волгоградской и Астраханской областей) в современный период.
Материалы и методы исследований. В качестве исходных данных для оценки атмосферных выпадений соединений азота и фосфора на поверх-
ность водосбора за период 2011—2015 гг. использованы материалы Федеральных государственных учреждений Росгидромета (ФГБУ Росгидромета), расположенных в бассейне Средней и Нижней Волги (табл. 1).
Поступление массы соединений азота на подстилающую поверхность зависит как от концентрации, так и от количества атмосферных осадков. Влажные выпадения соединений азота рассчитывались по формуле [7]
12
Ьа = 10-3 I СЛ, (1)
I = 1
где Ьа — атмосферная нагрузка, г/(м2год); Сг- — среднемесячная концентрация компонентов, мг/л; гг- — месячная сумма осадков, мм/мес.
Ввиду того что Программой мониторинга Росгидромета не предусмотрено проведение регулярных наблюдений за содержанием фосфат-ионов в атмосферных осадках [15], оценка поступления удельной массы соединений фосфора, поступающих с влажными выпадениями в бассейне Средней и Нижней Волги, выполнена с использованием зависимости между соединениями азота и фосфора, приведенной в [16].
Таблица 1
Пункты наблюдений за химическим составом атмосферных осадков в бассейне Средней и Нижней Волги
№ п/п Название станции ФГБУ Росгидромета
1. Зилаир
2. Сгерлитамак ФГБУ «Башкирское
3. Чишмы УГМС»
4. Уфа
5. Верхошижемье
6. Морки ФГБУ «Верхне-Волжское
7. Нижний Новгород УГМС»
8. Саранск
9. Оренбург
10. Пенза ФГБУ «Приволжское
11. Саратов УГМС»
12. Тольятти
13. Азнакаево
14. Акташ
15. Бегишево
16. Бугульма ФГБУ «УГМС Республики
17. Вязовые Татарстан»
18. Казань
19. Мензелинск
20. Тетюши
Результаты и их обсуждение. Рассчитаны средние значения влажных выпадений соединений азота и фосфора за 2011—2015 гг. в бассейне Средней и Нижней Волги, пространственное распределение которых приведено на рис. 1—2.
Анализ рис. 1 показывает, что величины средних значений влажных выпадений соединений азота общего распределены в бассейне Средней и Нижней Волги неравномерно. Области повышенных значений выпадений соединений азота выявлены на метеостанциях «Тетюши» ФГБУ «УГМС Республики Татарстан», «Морки» ФГБУ
«Верхне-Волжское УГМС» и «Уфа» ФГБУ «Башкирское УГМС», что наиболее вероятно обусловлено переносом этих веществ от крупных промышленных центров городов Самара, Ульяновск, Тольятти; Казань, Зеленодольск; Уфа соответственно.
Максимальное значение отмечено на метеостанции «Тетюши» ФГБУ «УГМС Республики Татарстан» (1,1 т N км-2 год-1). Минимальное значение 0,4 т N км-2 год-1 отмечено в Оренбургской области (метеостанция Оренбург ФГБУ «Приволжское УГМС»).
14000
12000
8000
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Рис. 1. Распределение средних значений влажных выпадений соединений азота за 2011—2015 гг. в бассейне Средней и Нижней Волги, т N км-2 год-1
Пространственное распределение влажных выпадений соединений фосфора (рис. 2) показывает, что наиболее высокие значения отмечались на метеостанциях «Тетюши» ФГБУ «УГМС Республики Татарстан», «Морки» ФГБУ «ВерхнеВолжского УГМС» и «Уфа» ФГБУ «Башкирское УГМС».
Максимальное значение влажных выпадений фосфора 0,05 т Р км-2 год-1 выявлено на метеостанции «Тетюши» ФГБУ «УГМС Республики Татарстан». Минимальное значение 0,01 т Р км-2 год-1 — на метеостанции «Оренбург» ФГБУ «Приволжское УГМС».
Величина модуля атмосферных выпадений биогенных элементов на территории ряда регионов Российской Федерации (по данным собственных расчетов и данных, приведенных в [17]) даны в табл. 2.
Анализ табл. 1 показывает, что наблюдается хорошая сходимость величин модуля атмосферных выпадений соединений азота и фосфора на исследуемой территории с полученными ранее результатами других авторов [17].
Максимальная величина модулей атмосферных выпадений биогенных элементов отмечена в республике Мари Эл (соединения азота
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Рис. 2. Распределение средних значений влажных выпадений соединений фосфора за 2011—2016 гг. в бассейне Средней и Нижней Волги, т P км-2 год-1
Таблица 2
Величина модуля атмосферных выпадений биогенных элементов на территории некоторых регионов Российской Федерации
0,99 т N км-2 год-1 и соединения фосфора 0,044 т Р км-2 год-1). Минимальное значение зарегистрировано в Оренбургской области (соединения азота 0,37 т N км-2 год-1 и соединения фосфора 0,012 т Р км-2 год-1).
Среднее значение модуля влажных выпадений соединений азота и фосфора в бассейне Средней и Нижней Волги за период наблюдений состав-
ляло 0,7 т N км-2 год-1 и 0,027 т Р км-2 год-1, соответственно.
Выводы. 1. Выявлены основные особенности пространственного распределения биогенной нагрузки влажных атмосферных выпадений соединений азота и фосфора в бассейне Средней и Нижней Волги. Установлено, что на исследуемой территории можно выделить три области повышенных значений, зарегистрированные метеостанциями «Тетюши» ФГБУ «УГМС Республики Татарстан», «Морки» ФГБУ «Верхне-Волжское УГМС» и «Уфа» ФГБУ «Башкирское УГМС» и обусловленные переносом веществ от крупных промышленных центров.
2. Экстремумы по соединениям азота и фосфора составили: минимальные значения 0,4 т N км-2 год-1 и 0,01 т Р км-2 год-1 (метеостанция «Оренбург» ФГБУ «Приволжское УГМС») и максимальные значения 1,1 т N км-2 год-1 и 0,05 т Р км-2 год-1 (метеостанция «Тетюши» ФГБУ «УГМС Республики Татарстан»).
3. В бассейне Средней и Нижней Волги за период наблюдений 2011—2015 гг. модули выпадений соединений азота и фосфора составили 0,7 т N км-2 год-1 и 0,027 т Р км-2 год-1.
4. Учитывая выявленную тенденцию роста значений выпадений соединений фосфора, а также его определяющую роль в эвтрофикации водоемов и водотоков, целесообразно организовать проведение систематических наблюдений за содержанием соединений фосфора в атмосферных осадках в системе Росгидромета на терртитории Российской Федерации.
Субъект Российской Федерации Модули атмосферных выпадений биогенных элементов, т км-2 год -1
Соединения фосфора Соединения азота
Ленинградская область [15] 0,014 0,66
Московская область [15] 0,038 0,95
Нижегородская область 0,015 0,47
Кировская область 0,038 0,91
Республика Марий Эл 0,044 0,99
Республика Татарстан 0,025 0,67
Республика Мордовия 0,034 0,83
Пензенская область 0,036 0,87
Республика Башкортостан 0,032 0,80
Саратовская область 0,017 0,53
Самарская область 0,018 0,54
Оренбургская область 0,012 0,37
Библиографический список
1. Науменко М. А. Эвтрофирование озер и водохранилищ. Учебное пособие. — СПб.: изд. РГГМУ, 2007. — 100 с.
2. Кондратьев С. А. Формирование внешней нагрузки на водоемы: проблемы моделирования. — СПб.: Наука, 2007. — 253 с.
3. Латыпова В. З., Селивановская С. Ю., Степанова Н. Ю., Минакова Е. А. Развитие биогеохимических подходов к экологическому нормированию химической нагрузки на природные среды // Ученые записки Казанского государственного университета, том 147, кн. 1, 2005 г. С. 159—170.
4. Фрумин Г. Т. Выпадение биогенных элементов с атмосферными осадками на акватории трансграничного Псковско-Чудского озерного комплекса. Общество. Среда. Развитие 2015 № 03 (36). — СПб.: Центр научно-информационных технологий «Астерион». — С. 175—178.
5. Novotny V. Diffuse (non — point) pollution — a political, institutional, and fiscal problem // J. Walter Pollut. Countr. Fed. — 1988. — Vol. 69, No. 8. — P. 1404—1413.
6. Фрумин Г. Т. Трансграничные водные объекты и водосборы России: проблемы и пути решения / Г. Т. Фрумин, Л. А. Тимофеева // Биосфера. 2014. Т. 6, № 1. — С. 118—133.
7. Свистов П. Ф., Першина Н. А., Полищук А. И. Фоновый уровень ионного состава атмосферных осадков. // Обзор загрязнения природной среды в Российской Федерации за 2006 гг. — М.: Росгидромет, 2007. — С. 41—43.
8. Савенко В. С. Атмосферные аэрозоли как источник фосфора в водных экосистемах // Водные ресурсы. 1995. Т. 22. № 2. С. 187—196.
9. Cole J. J., Caraco N. F., Likens G. E. A significance source of phosphorus to an oligotrophic lake // Limnol. and Oceanogr. 1990. V. 35. № 6. P. 1230—1237.
10. Graham W. F., Duce R. A. The atmospheric transport of phosphorus to the western North Atlantic // Atmosph. Environ. 1982. V. 16. № 5. P. 1089—1097.
11. Валетдинов А. Р., Валетдинов Р. К., Валетдинов Ф. Р., Горшкова А. Т., Фридланд С. В., Шлычков А. П. Нормирование интенсивности загрязнения снежного покрова химическими элементами (на примере Республики Татарстан и ее крупных промышленных центров) // Безопасность жизнедеятельности. — Москва, 2008, № 10. — С. 17—20.
12. Минакова Е. А. / Роль метеорологических факторов в загрязнении малых рек / В. З. Латыпова, О. Г. Яковлева, Е. А. Минакова, Д. А. Семанов // Санкт-Петербург: Экологическая химия 2001 № 10 (2). — С. 115—123.
13. Минакова Е. А. Учет метеорологических факторов в управлении качеством поверхностных вод (на примере рек Казанка, Свияга, Степной Зай): дисс. ... канд. географич. наук: 25.00.36. — Геоэкология / Е. А. Минакова. — СПб., 2004. — 147 с.
14. Мтакоуа E. A. Studying of processes of formation of quality of surface water in modern conditions of climate change / E. A. Minakovа, A. P. Shlychkov, V. Z. Latypovа // 14th SGEM GeoConference on Ecology, Economics, Education And Legislation, SGEM 2014 Conference Proceedings, Albena, Bulgaria, 17—26 June 2014. Vol. 2. — Sofia: STEF92 Technology, 2014. — P. 641—649.
15. Свистов П. Ф., Першина Н. А., Полищук А.И, Павлова М. Т., Семенец Е. С. // Ежегодные данные по химическому составу и кислотности атмосферных осадков за 2011—2015 гг. (Обзор данных). — СПбГТЭУ, 2016. — 115 с.
16. Савенко В. С., Савенко А. В. Геохимия фосфора в глобальном гидрологическом цикле. — М.: ГЕОС, 2007. — 248 с.
17. Хрисанов Н. И., Осипов Г. К. Управление эвтрофированием водоемов. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. — 278 с.
LOSSES OF BIOGENIC SUBSTANCES WITH ATMOSPHERIC SEDIMENTS IN THE BASIN OF THE MIDDLE AND LOWER VOLGA
E. A. Minakova, Ph. D. (Geography), Associate Professor, Kazan Federal University;
A. P. Shlychkov, Ph. D. (Geography), Senior Researcher, Institute of Ecology and Subsoil Use of the Academy of Sciences
of the Republic of Tatarstan.
Kazan, Russia
References
1. Naumenko M. A. Efvtrofirovanie ozer i vodoxranilishh. [Eutrophication of lakes and reservoirs]. Uchebnoe posobie. 2007. 100 p. [in Russian]
2. Kondrat'ev S. A. Formirovanie vneshnej nagruzki na vodoemy: problemy modelirovaniya. [Formation of external load on water bodies: modeling problems]. 2007. 253 p. [in Russian]
3. Latypova V. Z., Selivanovskaya S. Yu., Stepanova N. Yu., Minakova E. A. Razvitie biogeoximicheskix podxodov k ekolog-icheskomu normirovaniyu ximicheskoj nagruzki na prirodnye sredy. [Development of biogeochemical approaches to environmental regulation of chemical load on natural environments]. Uchenye zapiski Kazanskogo gosudarstvennogo universiteta. 2005. P. 159-170. [in Russian]
4. Frumin G. T. Vypadenie biogennyx elementov s atmosfernymi osadkami na akvatorii transgranichnogo Pskovsko-Chudskogo ozernogo kompleksa. [Deposition of biogenic elements with atmospheric precipitation in the waters of the transboundary Pskov-Peipsi lake complex]. 2015. P. 175—178. [in Russian]
5. Novotny V. Diffuse (non — point) pollution — a political, institutional, and fiscal problem. J. Walter Pollut. Countr. Fed. 1988. Vol. 69, No. 8. P. 1404—1413.
6. Frumin G. T. Transgranichnye vodnye ob'ekty i vodosbory Rossii: problemy i puti resheniya [Transboundary water bodies and catchments of Russia: problems and solutions]. 2014. P. 118—133. [in Russian]
7. Svistov P. F., Pershina N. A., Polishchuk A. I. Fonovyj uroven' ionnogo sostava atmosfernyx osadkov. [The background level of ion composition of atmospheric precipitation.]. Obzor zagryazneniya prirodnoj sredy v Rossijskoj Federacii za 2006gg. 2007. P. 41—43. [in Russian]
8. Savenko V. S. Atmosfernye aerozoli kak istochnik fosfora v vodnyx ekosistemax [Atmospheric aerosols as a source of phosphorus in aquatic ecosystems]. Vodnye resursy. 1995. P. 187—196. [in Russian]
9. Cole J. J., Caraco N. F., Likens G. E. A significance source of phosphorus to an oligotrophic lake. Limnol. and Oceanogr. 1990. P. 1230—1237.
10. Graham W. F., Duce R. A. The atmospheric transport of phosphorus to the western North Atlantic. Atmosph. Environ. 1982. P. 1089—1097.
11. Valetdinov A. R., Valetdinov R. K., Valetdinov F. R., Gorshkova A. T., Fridland S. V., Shlychkov A. P. Normirovanie in-tensivnosti zagryazneniya snezhnogo pokrova ximicheskimi e'lementami (na primere Respubliki Tatarstan i ee krupnyx pro-myshlennyx centrov) [Regulation of intensity of pollution of snow cover by chemical elements: a case study of the Republic of Tatarstan and its large industrial centers]. Bezopasnost'zhiznedeyatel'nosti. 2008. P. 17—20. [in Russian]
12. Minakova E. A., Latypova V. Z., Yakovleva O. G., Semanov D. A. Rol' meteorologicheskix faktorov v zagryaznenii malyx rek [The role of meteorological factors in pollution of small rivers]. Ekologicheskaya khimiya. 2001. P. 115—123. [in Russian]
13. Minakova E. A. Uchet meteorologicheskix faktorov v upravlenii kachestvom poverxnostnyx vod (na primere rek Kazanka, Sviyaga, Stepnoj Zaj) [Accounting for meteorological factors in the management of the quality of surface waters: a case study of the rivers Kazanka, Sviyaga, Stepnoy Zay]. 2004. 147 p. [in Russian]
14. Minakova E. A., Shlychkov A. P., Latypova V. Z. Studying of processes of formation of quality of surface water in modern conditions of climate change. SGEM 2014 Conference Proceedings. 2014. P. 641—649.
15. Svistov P. F., Pershina N. A., Polishhuk A. I., Pavlova M. T., Semenets E. S. Ezhegodnye dannye po ximicheskomu sostavu i kislotnosti atmosfernyx osadkov za 2011—2015 gg. [Annual data on chemical composition and acidity of atmospheric precipitation for 2011—2015]. 2016. 115 p. [in Russian]
16. Savenko V. S., Savenko A. V. Geoximiya fosfora v global'nom gidrologicheskom cikle. [Geochemistry of phosphorus in the global hydrological cycle]. 2007. 248 p. [in Russian]
17. Khrisanov N. I., Osipov G. K. Upravlenie efvtrofirovaniem vodoemov. [Control of eutrophication of reservoirs]. 1993. 278 p. [in Russian]
