CC BY
70
УДК 502/504: 556.5.072 DOI 10.26897/1997-6011/2018-1-25-33
Н.С. ЯСИНСКИЙ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева» г. Москва, Российская Федерация
Ю.С. ДАЦЕНКО
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова г. Москва, Российская Федерация
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА ФОСФОРА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
В круговороте химических веществ фосфор является одним из элементов, определяющих плодородие почв и лимитирующих эвтрофирование водных объектов. В настоящее время в мире существует много моделей, описывающих процессы поступления и трансформации фосфора, однако в России такая модель ещё не создана. В статье описаны источники поступления на водосбор, процессы трансформации и поступления фосфора в водные объекты, в соответствии с современными представлениями мировой науки о круговороте фосфора. Выделены процессы, оказывающие определяющее влияние на концентрацию фосфора в водных объектах. Приведены методы расчета составляющих круговорота фосфора, которые могут быть использованы при создании подблока формирования стока фосфора в рамках усовершенствования гидрологической физико-математической модели ЕСОЫЛО, уже неоднократно применявшейся в различных регионах России для расчета водного стока.
Фосфор, ЕСОЫЛО, моделирование речного стока, эрозия почв, эвтрофирование
Введение. Фосфор является важнейшим биогенным элементом, необходимым для построения тканей живой клетки. Цикл фосфора затрагивает все компоненты природной среды, оказывая особенно сильное влияние на плодородие почв, развитие растений и эвтрофирование водных объектов. При антропогенном эвтрофировании происходит перестройка экосистемы водоёма, сводящаяся к преобладанию продукции над
деструкцией, что приводит к накоплению органического вещества в водоёме [1].
В круговороте фосфора можно выделить комплекс процессов, связанных с поступлением элемента из различных источников, его миграцией и химическими преобразованиями в почве, потребление фосфора растениями и комплекс процессов транспорта фосфора, начиная от его выноса из почвы до поступления в водные объекты (рис. 1).
4 у
РАСТЕНИЕ
i
ОРГАНИЧЕСКИ^ ФОСФОР
- микробиальный
- растительные остатки
- гумус
Л*
■Десорбция -Адсорбция-
ПЕРВИЧНЫЕ МИНЕРАЛЫ
(фосфориты)
I МИНЕРАЛЬНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ
- глины
- оксиды Fe/Al
- карбонаты
ВТОРИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
-CaP.FeP.MnP, А1Р
ЭРОЗИЯ
ПОВЕРХНОСТНЫЙ
сток
ГРУНТОВЫЕ, \ ВОДЫ/
/
W-
сток
ЧН АНОСОВ/
Рис. 1. Схема форм фосфора, их источников и путей выноса из почвенного профиля
№ 1'2018
:25:
В качестве основы для разработки фосфорной модели была выбрана гидрологическая модель ЕСОМЛС, для которой также разрабатывается блок расчета концентрации азота [2]. Данная статья является первой в ряду статей, касающихся разработки блока расчета стока фосфора. Обзор процессов круговорота азота дан в статье [3].
Результаты и их обсуждение.
1. Природные и антропогенные источники фосфора в системе речного водосбора
Главными природными источниками фосфора являются базальты, габбро, андезиты и апатиты, залегающие в гранитных формациях. В неизмененной природной среде фосфор активно потребляется растительностью, поэтому в почвах наблюдается его дефицит. Наиболее высокие концентрации наблюдаются на водосборах, сложенных базальтами. Концентрация фосфора на водосборах, сложенных осадочными породами вдвое больше, чем на сложенных изверженными породами [4].
В XX веке вследствие добычи полезных ископаемых, производства фосфорных удобрений, фосфоросодержащей продукции, вылова моллюсков и морских животных, стало происходить накопление фосфора в почве и его вынос при эрозии почв и с водным стоком. Фосфор привносится с продуктами ветровой эрозии почв и сгорания растительности при лесных пожарах в виде атмосферных аэрозолей [4]. Содержание фосфора в атмосферных осадках по ряду исследований не превышает 0-40 мкгР/л, что не позволяет считать этот источник значимым [5]. Согласно исследованиям [6] источник органических соединений фосфора в атмосферных осадках менее интенсивен, чем источник минерального.
Важным природным источником фосфора является растительный опад. Широколиственный опад разлагается быстрее, чем хвойный, а содержание фосфора в нем в полтора раза выше [7]. На полностью залесенном водосборе по данным исследований [8] в США вынос общего фосфора в год с 1 км2 составляет 3-16.5 кг, включая 0.5-1.2 кг фосфора в растворённой форме.
Основным антропогенным диффузным источником фосфора выступает внесение минеральных и органических удобрений. Система удобрения зависит от географических условий, в которых находится
Кб)
обрабатываемая территория. Так, в Нечернозёмной зоне система удобрения включает основное, припосевное внесение и подкормки. Подкормки вносятся обычно азотными удобрениями весной.
Сточные воды городов и территорий относятся к важным точечным источникам фосфора, так как фосфор удаляется в ходе водоочистки при применении самых эффективных методов лишь на 70-90% [9]. В ХХ веке вследствие роста населения и прогрессирующей урбанизации поступление фосфора в мировую сеть из канализационных систем достигло 2.56 млн т/год. При этом мировой речной сток растворенного общего фосфора по имеющимся данным достигает 4.5 млн т [1].
По имеющимся оценкам, в материковом стоке растворенный фосфор на 80% поступает из антропогенных источников, фосфор во взвешенных наносах на 50% имеет антропогенное происхождение [5]. По оценкам соотношения антропогенных источников в целом по США в 1987 г. 79% фосфора поступало вследствие внесения удобрений, 28% — за счет отходов животноводства и 6% — в растительных остатках сельскохозяйственных культур [10].
При отсутствии расписания внесения удобрений для конкретных угодий или типов землепользования, внесение фосфора следует рассчитывать по формуле (1)
Д = У ■ н • К (1)
где Д — доза внесения фосфорного удобрения кг на га, У — планируемый урожай ц с га, Н — нормы внесения удобрения кг на 1 ц культуры, К — поправочный коэффициент на подвижные формы фосфора [11].
2. Формы фосфора в почве и их трансформация
2.1. Общая схема взаимодействия различных форм фосфора
В почве фосфор представлен на 10-20% соединениями, относительно доступными для растений, на 50-60% соединениями малодоступными и на 20-40% соединениями, практически недоступными для растений [12]. Среди органических соединений в растворе выделяются ортофосфаты и моноэ-фиры ортофосфорной кислоты, в меньшей степени пирофосфаты, полифосфаты, диэ-фиры [4]. Неорганические формы представлены в основном ионами ортофосфорной кислоты НРО4 , НРО\-.
№ 1'2018
При моделировании выделяют обычно раствор, активный органический и минеральный блоки, пассивный органический и минеральный блоки и блок свежего нераз-ложившегося вещества (рис. 2). В активных блоках происходит адсорбция на частицах почвы и разложение свежих органических остатков. В стабильном блоке происходит выпадение слаборастворимых соединений фосфора. Скорость реакции между раствором и активными блоками составляет дни, недели, тогда как между активными и пассивными блоками — годы [13]. Некоторые исследователи указывают, что период взаимодействия между активными и пассивными блоками следует при различных условиях принимать от 5 до 30 лет [14].
2.2. Растворимость соединений фосфора в почве
При сочетании с железом, алюминием или магнием в кислой среде образуются малорастворимые соединения. С увеличе-
нием щелочности раствора образование гидроксидов металлов уступает место взаимодействию с силикатами [15], а затем и образованию фосфатов кальция Са3(Р04)2 [4]. Фосфаты кальция типа гидроксо- и фто-рапатита Са5(Р04)3(0Н) и Са5(Р04)3Е - малорастворимы в слабощелочной и нейтральной среде, но делаются подвижными по мере подкисления. Фосфаты полуторных окислов, преимущественно основного типа, тем менее растворимы, чем больше в них отношение металлов к фосфору и чем ниже рН (3-3,5); при повышении рН эти соединения начинают переходить в раствор. Фосфаты щелочей, моно- и дикальциевые (магниевые) фосфаты растворимы, геохимически подвижны, доступны растениям [16].
Растворимость минеральных фосфорных удобрений различна: самой высокой растворимостью отличаются удобрения типа суперфос, наименьшей - костная или фосфоритная мука.
Потери с эрозией А
Неорганическое удобрение
Органическое „
удобрение ПотеРи?
эрозиеи
Растительный опад
Рис. 2. Упрощенная схема процессов поступления, преобразования и выноса фосфора в почве, используемая в моделях биогенного стока
2.4. Адсорбция и десорбция фосфора В качестве сорбционных барьеров могут выступать гидроксиды и оксиды металлов, глинистые минералы, обменные катионы, карбонаты кальция и магния, органо-минеральные образования. Наибольшая степень закрепления фосфора наблюдалась при времени взаимодействия не более 7-ми суток [4]. Сорбция фосфатов глинистыми минералами выражена в меньшей степени, чем гидроксидами железа. Н.И. Горбунов показал, что кислые почвы связывают фосфор интенсивнее черноземов; он получил следующие величины поглощения Р2О5 почвами: красноземами до 0,9-1,2%; подзолистыми 0,6; черноземами 0,1% [12].
Процессы сорбции/десорбции и поглощения фосфора растением из почвенного раствора тесно связаны в равновесной системе. Количество адсорбированного фосфора хорошо описывается формулой Ленгмю-ра (2).
=
К (Сь - сЬо) 1 + кС,
(2)
где Сз — количество поглощенного фосфора мэкв/100гр, к — константа, связанная с энергией закрепления фосфатов, В — максимум адсорбции, уменьшенный на величину десорбции, Сь — равновесная концентрация фосфора в растворе, мэкв/л, Сь — равновесная концентрация фосфора в растворе при равенстве сорбции и десорбции.
Графики зависимости поглощенного иона от его содержания в растворе (изотермы сорбции) для фосфора имеют гиперболическую форму. Исследования дерново-подзолистых почв показали значения фосфатной буферности (отношения способного к обмену иона к его содержанию в растворе) от 3.5 до 46. Предельное насыщение фосфором изменялось от 0.24 до 1.71 мэкв/100 г. Коэффициент k варьировал в пределах 2.72-33.87. Количество десорбируемого фосфора было наибольшим в высокоокультуренных почвах. Наибольшие B были характерны для высокогумусированной, тяжелосуглинистой и дерново-карбонатных почв. Величина десорбции была выше у почв с тяжелым гранулометрических составом [17].
2.5. Минерализация и иммобилизация фосфора в органических формах Процессы разложения и минерализации определяются соотношением углерода к фосфору в растительных остатках, температурой, влажностью почвы, pH, интенсивностью земледелия, объемами внесения фосфорных удобрений и составом растительных остатков.
При расчете минерализации используются подходы, базирующиеся на коэффициентах скорости разложения. Примером может служить формула, применяющаяся в модели EPIC [18](3).
R = КО (FTn Fnn )1/2min( F , F ) (3)
oe oe oe ^ ГП ВП' ^ cn> cp' V /
где O , K , R — соответственно количество фосфо-
^ ов ов ов -1 -1
ра в органическом веществе почвы, скорость разложения органического вещества и количество фосфора, минерализованного из органического вещества. F^ — фактор температуры почвы, F — фактор влажности почвы, F и F — зависят от отношения угле' cn cp ^
рода к азоту и углерода к фосфору в органическом веществе почвы.
3. Миграция фосфорных соединений на водосборе и в речной сети
3.1. Вынос фосфора из почвенного раствора По некоторым исследованиям при дождевых паводках лишь 6-22% подвижного фосфора перемещаются в растворенной форме. Обычно в растворе содержится больше органических, чем неорганических форм фосфора. Например, в легких почвах 90% фосфора находится в растворе в органической форме [19]. В грунтовых водах фосфора обычно меньше, чем в поверхностных. В ис-
следованиях [20] показано, что в некоторых колодцах Центрального региона РФ концентрации фосфора превышали на несколько порядков концентрацию в родниках (5-94 мкг/л), что позволяет говорить об ускоренной миграции фосфора в приповерхностные грунтовые горизонты, вызванную сельскохозяйственным освоением.
3.2. Вынос фосфора в ходе процессов эрозии почв Средние годовые потери валового фосфора прежде всего связаны с транспортом взвешенных веществ и могут меняться от 0.4 кг с га на водосборах с низкими показателями эрозии до 5 кг с га на водосборах с интенсивной эрозией и высокой плотностью животноводства [21].
Расчет эрозии почв чаще всего производится по универсальным формулам эрозии почв (ивЬЕ). Это эмпирические формулы, отражающие смыв почвы в т/га в зависимости от коэффициентов, получаемых по геометрическим параметрам или свойствам поверхности водосбора (4).
W = 0.224 • Я • К • ЬБ • С • Р (4)
где Ш — среднегодовой модуль потерь почвы, т/га; К — фактор эродирующей способности дождя; К — фактор эродируемости почвы; Ьв — фактор рельефа, причем Ь — фактор длины склона, м, в — фактор уклона, град.; С —фактор севооборота (агротехники); Р — фактор почвозащитных мероприятий [22].
Хотя эрозия является ведущим фактором выноса фосфора с водосборов, при сравнении с другими элементами было замечено, что фосфор в почве может быть малоактивен, находится в основном в трудно растворимых соединениях и вынос его просачивающимися и весенними талыми водами незначителен [23].
3.3. Потребление фосфора растениями Для сельскохозяйственных культур фосфорные удобрения не только увеличивают урожай, но и улучшают его качество, например, крахмалистость картофеля, сахаристость свёклы. Признаками дефицита фосфора у зеленых растений являются покраснение стебля, позднее отмирание старых листьев, небольшие размеры растения. Однако, доступного для растений фосфора в почве всего 10-20%, 50-60% малодоступны, а 20-40% совершенно недоступны.
Степень потребления фосфора растением в конкретный день определяется его
потребностью. В модели SWIM потребление фосфора культурами рассчитывается следующим образом:
DEM(t) = CPB(t)BT(t) - CPB(t - 1)BT(t -1) (5)
где PDEM — потребность растения в фосфоре, CPB — оптимальное содержание фосфора в биомассе кг/га, рассчитываемое по формуле (6)
PB = (BP1 - BP2)\ 1-
IHUP
IHUP + exp(SP1 - SP1 • IHUP)
-BP3 (6)
где ВР1 — ВР3 — содержания фосфора в биомассе в начале роста, в середине созревания и при полном созревании, вР — параметры формы, 1НИР — параметр, выражающий накопленное к моменту расчета тепло [24].
3.4. Миграция фосфорных соединений с талым стоком Фосфор в снежном покрове накапливается в течение всего зимнего периода, поэтому при начале снеготаяния весь накопленный фосфор в короткие сроки выносится талыми водами. Согласно исследованиям [25] нагрузка фосфором непосредственно перед началом снеготаяния определялась на 750% больше, чем рассчитанная по начальным запасам и осадкам в течение зимы. Снеготаяние эрозионно малоопасно, поэтому фосфор в талом стоке в основном растворенный [26]. Первые 30% талой воды содержат 50-80% всех растворённых в-в, содержавшихся в снеге и называются йонным паводком. В некоторых исследованиях [27] наблюдался вынос 65% фосфора в 20% талого стока. Степень выноса ионов из снежного покрова пропорциональная скорости снеготаяния [28].
Движение молекулы биогенного вещества в системе водоток — донные отложения, таким образом, напоминает спираль и потому называется спиралевидным циклом (nutrient spiraling) [30]. Этот процесс описывается длиной спирали, которую проходит молекула в растворенной форме и длиной, которую она проходит, возвращаясь в растворенное состояние. Длина перемещения молекулы в растворенной форме для фосфора существенно больше, поэтому она рассматривается как основной параметр.
Движение веществ в водном потоке обычно задается уравнением, включающим адвекцию, диффузию, боковой приток, адсорбцию во взвесь, поступление вещества из донных отложений, потребление водорослями и т.д. Ввиду замкнутости цикла преобразования фосфора в системе водоток-донные отложения, в масштабе короткого участка реки нет необходимости рассматривать все преобразования фосфора. Адвекция, диффузия и боковой приток принимают смысл общего притока фосфора к участку. Вместо комплекса биохимических процессов может быть достаточно ограничиться процессом поступления фосфора из донных отложений, который может быть описан так:
vfTC(Tw - 20) с h
TP
(7)
где кс — коэффициент поглощения, ТР — валовая концентрация фосфора, ТС — фактор коррекции температуры, — температура воды, Ь — глубина, у( — коэффициент переноса, равный отношению средней скорости и глубины потока к — длине перемещения в растворенной форме по спиральному циклу.
3.5. Трансформация фосфорных соединений в водотоках Поступая в водоток из диффузных и точечных источников с поверхностным и подземным стоком, биогенные элементы попадают в систему, где живые и неживые компоненты взаимодействуют в условиях движущегося потока. Биогенные элементы подвергаются сорбции/десорбции из взвеси, поглощению микроорганизмами и водорослями в водной толще, осаждению со взвесями и отмершими организмами на дно, поступлению в поровые воды донных отложений [29]. Находясь в водной толще, биогенные элементы перемещаются вниз по течению с потоком, попадая в донные отложения, они остаются на месте, в поровых водах двигаются с меньшими скоростями.
№ 1'2018
Выводы
Анализ процессов круговорота фосфора позволяет сделать следующие выводы:
1. Основным источником фосфора, поступающего в речную сеть, служит внесение неорганических и органических удобрений. Объемы и хронология их поступления в почву могут быть определены как в соответствии с расписанием внесения, так и по средним значениям показателей дефицита фосфора в зависимости от типа почвы и вида культуры.
2. Фосфор в почвенном профиле поступает из раствора в водный сток и подземные воды. При описании процессов трансформации фосфора в почвенном профиле важно разделить растворенный, активный минеральный, стабильный минеральный,
(29)
органический, свежий органический фосфор. Важнейшими потоками являются адсорбция (между активной и стабильной формой) и минерализация (между органическим фосфором и минеральным растворенным. Адсорбция описывается изотермами Ленгмюра с параметрами, определёнными опытным путем для конкретного типа почвы. Минерализация фосфора определяется соотношением биогенных элементов в органическом веществе, температурой и влажностью почвы.
3. В паводочном стоке доля взвешенного фосфора невелика в силу незначительной эродирующей способности потоков талых вод, поэтому определяющей становится растворённая форма. Количество эродированной почвы определяется по формуле ивЬЕ.
4. Поступая в речную сеть, фосфор потребляется биотой, адсорбируется на взвеси и оседает в донных отложениях. Это приводит к его скачкообразной миграции вниз по течению. Здесь определяющим процессом становится обмен между водной толщей и донными отложениями.
Описанные выше процессы должны быть учтены при построении алгоритма фосфорного блока модели ЕС0МЛС. Азотный и фосфорный блоки модели должны быть увязаны между собой, так как. например, соотношение между азотом и фосфором в растительном опаде является фактором, влияющим на минерализацию свежего органического вещества.
Библиографический список
1. Даценко Ю.С. Эвтрофирование водохранилищ. Гидролого -гидрохимические аспекты. — М.: ГЕОС, 2007. — 252 с.
2. Мотовилов Ю.Г. Свидетельство о гос. рег. в Роспатенте № 2013610703. ЕС0МЛС. Россия, 2013.
3. Фащевская Т.Б., Мотовилов Ю.Г. Моделирование процессов азотного цикла на речном водосборе. Ч.1. Источники поступления азота и процессы азотного цикла. // Вода химия и экология. — 2017. — № 3. — С. 15-26.
4. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. — М.: «Наука», — 1985.
5. Савенко В.С., Савенко А.В. Геохимия фосфора в глобальном гидрологическом цикле. — 2007. — 248 с.
6. Боброва С.А., Мальченко Ю.А. Потоки биогенных форм фосфора с атмосферными осадками в 2013 году / Международно
ная научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Ломоносов — 2014». Тезисы докладов. - Севастополь: ООО «Экспресс-печать», 2014. - С. 50.
7. Hongzhang K. и др. Global pattern of leaf litter nitrogen and phosphorus in woody plants. // Ann. For. Sci. 2010. Т. 67, № 67. С. 811.
8. Сойер К. Фосфор и экология / перевод Богомолова Е.М.. / в кн. Фосфор в окружающей среде. - М.: МИР, 1977. -С. 688-705.
9. Емельянова Е.Н. Аспекты управления водным хозяйством: эффективный и це-носберегающий способ удаления фосфора из бытовых сточных вод // Известия Челябинского научного центра. Т. 1. - 2005. -№ 1 (27). Т. 1. - С. 72-76.
10. Van Es H.M. Soil and Water Quality: An agenda for Agriculture // Journal of Environment Quality. Washigton D.C.: National academy Press. - 1995. - Т. 24, № 2. - 386 с.
11. Рекомендации по использованию органических, минеральных макро- и микроудобрений, мелиорантов для выполнения обязательных мероприятий по улучшению земель сельскохозяйственного назначения в Ростовской области. http://refdb.ru/ look/1107049.html
12. Горбунов Н.И. Минералогия и коллоидная химия почв. - М.: Наука, 1974. -314 с.
13. Yuan Y.F.D. и др. Phosphorus component in ANN AGNPS. // Transactions of the ASAE. 2005. Т. 48(6), № 6. 2145-2154 с.
14. Wolf J. Janssen B.H., and Luth-well D.J. W.C.T. de. Modeling Long-Term Crop Response to Fertilizer Phosphorus. I. The Model. // AgronomyJournal. Т. 79. - 1987. -№ 3. - С. 445-451.
15. Матыченков И.В., Пахненко Е.П. Изменение содержания подвижных фосфатов почвы при внесении активных форм кремния // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. -2013. - № 3 (23). - С. 24-28.
16. Аскинази Д.Л. Фосфатный режим и известкование почв с кислой реакцией. -М.-Л.: АН СССР, 1949. - 216 с.
17. Крейер К.Г., Петрова О.А. Использование параметров сорбции-десорбции ионных форм элементов минерального питания растений для оценки агрохимического состояния дерново-поззолистых почв // Вестник СПбГУ. Серия 3. Биология. - 2006. -№ 1. - С. 190-199.
18. Jones C.A. и др. A Simplified Soil and Plant Phosphorus Model: I. Documentation! // Soil Sci. Soc. Am. J. - 1984. Т. 48, -№ 4. - С. 800.
19. Wendt R.C., Alberts E.E. Estimating Labile and Dissolved inorganic Phosphate Concentrations in Surface Runoff // Journal of Environmental Quality. 1984. - Т. 13, № 4. -С. 613-618.
20. Хрисанов Н.И., Осипов Г.К. Управление эвтрофированием водоёмов. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. - 276 с.
21. Bechmann J. Deelstra, H.O. Egge-stad M. Monitoring erosion and nutrient losses at catchment scale in Norway // Snowmelt erosion and related problems. Book of Abstracts. - 2001.
22. Смирнова Л.Г. Шамарданова Е.Ю., Нарожная А.Г. Сравнение двух методов расчета смыва почвы на водосборах с применением гис-технологий // НТП: земледелие и растениеводство. Достижения науки и техники АПК. - 2012. - № 9. - С. 10-12.
23. Белолюбцев А.И. Регулирование режимов защиты почв от эрозии в адаптивно-ландшафтном земледелии Нечерноземной зоны: автореферат диссертации доктора сельскохозяйственных наук. 06.01.01. М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 1993.
24. Valentina Krysanova F.W. Soil and Water Integrated Model: User Manual. Version: SWIM-8. Potsdam: Potsdam Institute for Climate Impact Research, 2000.
25. Jones H.G., Sochanska W. The chemical characteristics of snow cover in a boreal forest snowcover during the spring runoff // Ann. Glaciol. 1985. - Т. 7. - С. 167-174.
26. Jensen T. и др. Spring Snowmelt Impact on Phosphorus Addition to Surface Runoff in the Northern Great Plains // Better Crops. -2011. - Т. 95, № 1. - С. 28-31.
27. Zapf-Gilje S.O. Russell and D.S. Ma-vinic R. Concentration of Impurities During Melting Snow Made From Secondary Sewage Effluent // Water Science and Technology. -1986. - № 18. - С. 151-156.
28. Cragin J.H., Colbeck S.C., Hewitt A.D. Elution of ions in Melting snow. Chromatographic versus Metamorphic mechanisms. 1993.
29. Mc Coll R.H.S. Self-purification of small freshwater streams: Phosphate, nitrate, and ammonia removal. // New Zeal. J. Mar. Freshw. Res. - 1974. - Т. 8, № 2. - С. 375-388.
30. Marce R., Armengol J. Modeling nutrient in-stream processes at the watershed scale using Nutrient Spiralling metrics // Hydrol. Earth Syst. Sci. - 2009. - № 13. -С. 953-967.
Материал поступил в редакцию 12.10.2017 г.
Сведения об авторах
Ясинский Николай Сергеевич, аспирант кафедры Метеорологии и климатологии; РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязе-ва;125550, г. Москва, Тимирязевская д. 49.; тел.: 8(977)6473160, e-mail: [email protected]
Даценко Юрий Сергеевич, доктор географических наук, доцент кафедры Гидрологии суши, МГУ им. М.В. Ломоносова; 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, Главное здание, Сектор «А», тел.:8(495)9391533, e-mail: [email protected]
N.S. YASINSKY
Federal state budgetary educational institution of higher education «Russian state agrarian university — MAA named after C.A. Timiryazev», Moscow, Russian Federation
YU.S. DATSENKO
Moscow state university named after M.V. Lomonosov, Moscow, Russian Federation
REGULARITIES OF FORMATION OF RIVER FLOW PHOSPHORUS AIMED AT HYDROLOGICAL SIMULATION
Phosphorus is one of the elements which determines soil fertility and limits euthrophication of water bodies. At present there are a lot of models describing phosphorus inflow and transformation, however there is no such model in Russia. In this article there are described inputs in the watershed, transformation and inflow of phosphorus into water bodies in accordance with modern scientific theories of the phosphorus cycle. There are singled out processes influencing a phosphorus concentration in water bodies. Methods of elements estimation of phosphorus cycle are given which can be used when developing a formation blocklette of phosphorus runoff for improvement of the hydrological physical - mathematical model ECOMAG which has been repeatedly used in different regions of Russia for an estimation of the water flow.
Phosphorus, ECOMAG, river flow modeling, soil erosion, euthrophication
Reference list
1. Datsenko Yu.S. Evtrofirovanie vodohra-nilishch. Gidrologo-gidrohimicheskie aspekty. Moskva: GEOS, 2007. S.252
2. Motovilov Yu.G. Svitdeteljstvo o gos. reg. v Rospatente № 2013610703. ECOMAG. Rossiya, 2013.
3. Fashchevskaya T.B., Motovilov Yu.G. Modelirovanie protsessov azotnogo tsikla na rechnom vodosbore. Chast I. Istochniki postu-pleniya azota i protsessy azotnogo tsikla. // Voda, himiya i ekologiya. 2017. № 3. S. 15-26.
4. Kovda V.A. Biogeohimiya pochvennogo pokrova. Moskva: «Nauka», 1985.
5. Savenko V. S., Savenko A.V. Geo-himiya fosfora v globaljnom gidrologicheskom tsikle. 2007.S.248.
6. Bobrova SA., Maljchenko YuA. Po-toki biogennyh form fosfora s atmosfernymi osadkami v 2013 godu. // Mezhdunarodnaya nauchnaya konferentsiya molodyh uchenyh, aspirantov i studentov «Lomonosov - 2014». Tezisy dokladov. - Sevastopol: OOO «ex-press-pechat», 2014. - S. 50.
7. Hongzhang K. i dr. Global pattern of leaf litter nitrogen and phosphorus in woody plants. // Ann. For. Sci. 2010. T. 67, № 67. S. 811.
8. Soyer K Fosfor i ekologiya / perevod Bogomolova E.M. // v kn. Fosfor v okruzhay-ushchej srede. - M: MIR, 1977. S. 688-705.
9. Emeljyanova Е.N. Aspekty uprav-leniya vodnym hozyajstvom: effektivny i tse-nosberegayushchij sposob udaleniya fosfora iz bytovyh stochnyh vod // Izvestiya Chelya-binskogo nauchnogo tsentra. 2005. T. 1, № 1 (27). S. 72-76.
10. Van Es H.M. Soil and Water Quality: An agenda for Agriculture // Journal of Environment Quality. Washigton D.C.: National academy Press, 1995. T. 24, № 2. 386 c.
11. Rekomendatsii po ispoljzovaniyu or-ganicheskih, mineraljnyh makro - i mikroudo-brenij, meliorantov dlya vypolneniya obyazatel-jnyh meropriyatij po uluchsheniyu zemel seljs-kohozyajstvennogo naznacheniya v Rostovskoj oblasti. http://refdb.ru/look/1107049.html
12. Gorbunov N.I. Mineralogiya i kolloid-naya himiya pochv. M.: Nauka, 1974.
13. Yuan Y.F.D. i dr. Phosphorus component in ANN AGNPS. // Transactions of the ASAE. 2005. T. 48(6), № 6. 2145-2154 c.
14. Wolf J. Janssen B.H., and Luth-well D.J. W.C.T. de. Modeling Long-Term Crop Response to Fertilizer Phosphorus. I. The Model. // AgronomyJournal. 1987. T. 79, № 3. C. 445-451.
15. Matychenkov I.V. Pahnenko E.P.
Izmenenie soderzhaniya podvizhnyh fosfatov pochvy pri vnesenii aktivnyh form kremni-ya // Vestnik Uljyanovskoj gosudarstvennoj seljskohozyajstvennoj akademii. 2013. № 3 (23).
16. Askinazi D.L. Fosfatny rezhim i iz-vestkovanie pochv s kisloj reaktsiej. M., L.: AN SSSR, 1949. - S.216.
17. Kreijer KG., Petrova O.A. Ispol-jzovanie parametrov sorbtsii-desorbtsii ionnyh form elementov mineraljnogo pitaniya rastenij dlya otsenki agrohimicheskogo sostoyaniya dernovo-podzolistyh pochv // Vestnik SPbGU. Seriya 3. Biologiya. - 2006. - № 1. - S. 190-199.
18. Jones C.A. i dr. A Simplified Soil and Plant Phosphorus Model: I. Documentation! // Soil Sci. Soc. Am. J. 1984. T. 48, № 4. S. 800.
19. Wendt R.C., Alberts E.E. Estimating Labile and Dissolved inorganic Phosphate Concentrations in Surface Runoff // Journal of Environmenta1 Quality. 1984. T. 13, №№ 4. S. 613-618.
20. Hrisanov N. I., Osipov G.K. Upravle-nie evtrofirovaniem vodoemov. SPb: Gidrome-teoizdat, 1993. - S.276.
21. Bechmann J. Deelstra, H.O. Egge-stad M. Monitoring erosion and nutrient losses at catchment scale in Norway // Snowmelt erosion and related problems. Book of Abstracts. 2001.
22. Smirnova L.G., Shamardanova E.Yu., Narozhnaya A.G. Sravnenie dvuh metodov rascheta smyva pochvy na vodosborah s primeneni-em gistehnologij // NTP: zemledelie i rastenievod-stvo. Dostizheniya nauki i tehniki APK. 2012. -№ 9. - 10-12,
23. Belolyubtsev А.I. Regulirovanie zashchity pochv ot erozii v adaptivno -land-shaftnom zemledelii Nechernozemnoj zony: avtoreferat dissertatsii doktora seljskohozya-jstvennyh nauk. 06.01.01. M.: RGAU-MSHA im. K.A. Timiryazeva, 1993.
24. Valentina Krysanova F.W. Soil and Water Integrated Model: User Manual. Version: SWIM-8. Potsdam: Potsdam Institute for Climate Impact Research, 2000.
25. Jones H.G., Sochanska W. The chemical characteristics of snow cover in a boreal forest snowcover during the spring run-off // Ann. Glaciol. 1985. T. 7. C. 167-174.
26. Jensen T. i dr. Spring Snowmelt Impact on Phosphorus Addition to Surface Runoff in the Northern Great Plains // Better Crops. 2011. T. 95, №№ 1. S. 28-31.
27. Zapf-Gilje S.O. Russell and D.S. Ma-
vinic R. Concentration of Impurities During Melting Snow Made From Secondary Sewage Effluent // Water Science and Technology. 1986. № 18. C. 151-156.
28. Cragin J.H., Colbeck S.C., Hewitt A.D. Elution of ions in Melting snow. Chromatographic versus Metamorphic mechanisms. 1993.
29. Mc Coll R.H.S. Self-purification of small freshwater streams: Phosphate, nitrate, and ammonia removal. // New Zeal. J. Mar. Freshw. Res. 1974. T. 8, № 2. C. 375-388.
30. Marce R., Armengol J. Modeling nutrient in-stream processes at the watershed scale using Nutrient Spiralling metrics // Hy-drol. Earth Syst. Sci. 2009. № 13. C. 953-967.
The material was received at the editorial oflfice
12.10.2017
Information about the authors Yasinsky Nikolaj Sergeevich, post graduate student of the chair Meteorology and climatology RGAU-MAA named after C.A. Timiryazev. 125550, Moscow, Timiry-azevskaya, d.49.; tel.: 8(977)6473160, e-mail: [email protected]
Datsenko Yurij Sergeevich, doctor of geographic sciences, associate professor of the chair Hydrology of land, MSU named after M.V. Lomonosov; 119991, Moscow, GSP-1, Leninskie gory, MSU, d. 1, Main building, Sector «A», tel.: 8(495)9391533, e-mail: [email protected]
УДК 502/504:551.49
З.К. ИОФИН, Г.В. ВОЗОВА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вологодский государственный технический университет, г. Вологда, Российская Федерация
ОЦЕНКА ПОДЗЕМНОГО ВОДООБМЕНА В БАССЕЙНАХ РЕК
Предпринята попытка оценки величины подземного водообмена между соседними бассейнами рек. Подземный водообмен включен М.А. Великановым в уравнение водного баланса и с момента появления этого уравнения величину подземного водообмена в водном балансе никто не анализировал. Подземный водообмен осуществляется в зоне активного водообмена, который определяется глубиной базиса эрозии регионального водотока. В гидрологии принят постулат о том, что водосборный бассейн какой-либо реки состоит из поверхностного и подземного водообменов. Однако, благодаря гидрогеологическим особенностям, в общем случае поверхностный и подземный водосборы не совпадают. Но так как определение границы подземного водосбора осуществить практически очень сложно, то за величину речного бассейна принимается только поверхностный водосбор. Несовпадение поверхностного и подземного водосборов наблюдается у малых рек и рек, у которых из-за геологических условии происходит активный водообмен между бассейнами. Величина водообмена с увеличением площади водосбора убывает, поэтому для достаточно больших речных бассейнов можно считать, что подземный водообмен приближается к нулю. Подземное питание реки пополняется из зоны дренирования руслом реки. В случае водообмена с соседним бассейном подземное питание реки будет возрастать на величину дренируемого водообмена и по сравнению с зональной величиной подземный сток в реку будет увеличен. В данной статье авторами исследуется уравнение водного баланса, предложенное М.А. Великановым. Такое представление уравнения водного баланса отличает М.А. Великанова от других авторов. Для поставленной цели, используя расчеты по линейно-корреляционной модели, выполнена ориентировочная оценка средней величины подземного водообмена для бассейнов рек Вологодской области, Восточной Кубы, Италии.
Зона активного водообмена, поверхностный и подземный водообмен, линейно-
корреляционная модель, слой инфильтрации, слой впитывания в почву, уравнение
водного баланса, водосборные площади поверхностного и подземного стоков.
Введение. Среди существующих уравнений водного баланса выделяются по своей структуре две группы: уравнение, предло-
№ 1'2018
женное М.А. Великановым (1), и уравнения ряда авторов, не включающих слой подземного водообмена. Наиболее обоснованной струк-
4зз)
