Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 355-367
Закомерности формирования баланса азота и фосфора на речных водосборах в центральной лесостепи Русской равнины в 1990–2020 гг.
С. В. Долгов a, *, В. О. Швыдкий b, Е. В. Штамм c
a Институт географии РАН
Москва, Россия
b Институт биохимической физики РАН
Москва, Россия
c ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН
Москва, Россия
* E-mail: svdolgov1978@yandex.ru
Поступила в редакцию 12.10.2020
После доработки 21.02.2021
Принята к публикации 02.03.2021
Аннотация
На основе географо-гидрологического метода и представления о гидрологической ярусности равнинных речных бассейнов выявлены современные особенности формирования водно-биогенного баланса в лесостепной зоне Русской равнины. Определено влияние основных элементов ландшафтно-гидрологической структуры речных бассейнов на содержание биогенов в поверхностном склоновом стоке. Показано, что увеличения поверхностного склонового стока не произошло, несмотря на рост площади урбанизированных территорий, а также площади выведенных из севооборотов сельскохозяйственных угодий с более высоким коэффициентом стока, чем на полях с зяблевой вспашкой. Климатические изменения привели к противоположной тенденции – сокращению стока, с начала 1980-х годов на 69% на уплотненной почве и на 77% на рыхлой пашне. Роль поверхностной составляющей стока в миграции биогенных веществ значительно снизилась, а подземной составляющей, напротив, выросла. С поверхностным стоком с речных водосборов выносится 41% азота и 48% фосфора от величины годового выноса с полным стоком, с подземным стоком – соответственно 59 и 52%. Приведены результаты расчета внутригодового распределения выноса минерального азота и фосфора с поверхностным и подземным стоком с речных водосборов. Выполнена ориентировочная оценка годового водно-биогенного баланса территории Курской области, сложившегося в последнее десятилетие. Показано, что доля природных факторов в приходной его части (по азоту 24%, по фосфору – 6%) значительно меньше доли антропогенных факторов.
ВВЕДЕНИЕ
Отсутствие детальных знаний о генезисе негативной гидроэкологической ситуации, сложившейся в лесостепной зоне Русской равнины, в том числе вследствие неконтролируемого диффузного (рассредоточенного по территории) поступления в реки и водохранилища биогенных элементов – соединений азота и фосфора, существенно осложняет разработку эффективных водоохранных мер.
Оценке выноса биогенных элементов в водные объекты с их водосборов посвящено большое число исследований. Вместе с тем, в них не в полной мере учтены существенные современные изменения климата и хозяйственной деятельности. Кроме того, рассмотрена в основном лишь фаза весеннего половодья (Назаров, 1996; Хрисанов, Осипов, 1993; Чернышев и др., 1992; Шилькрот, Ясинский, 2002; Ясинский, Гуров, 2006 и др.), когда поступление в речную сеть биогенных элементов осуществляется преимущественно с поверхностным склоновым стоком. Другие пути их миграции с водосборов, в том числе с подземным стоком, обычно не анализируются, априори полагается, что их вклад незначительный. Однако неучитываемая часть выноса с подземной составляющей стока в остальные сезоны может составлять значительную величину, особенно в связи с изменением климата (Долгов, Коронкевич, 2019).
В настоящее время остаются недостаточно изученными не только пути миграции биогенных элементов в водные объекты, но и вклад различных природных и антропогенных факторов в их поступление на водосборную площадь и вынос в гидрографическую сеть, а также происходящие за последние годы (начиная с 1990-х годов) изменения. Кроме того, состояние экосистем водных объектов недостаточно детально увязывается с изменениями ландшафтной структуры их водосборов. Более полные знания о закономерностях вещественного обмена вод в системах “бассейн–река” могут быть получены исходя из представления о гидрологической ярусности речных бассейнов (Долгов, Коронкевич, 2010).
Цель исследования заключается в оценке роли современных изменений климатических и антропогенных факторов в формировании водно-биогенного баланса речных водосборов лесостепной зоны, в том числе в оценке весьма важной в экологическом отношении его составляющей – стока азота и фосфора.
Особенно актуальна такая задача для регионов, испытывающих интенсивную антропогенную нагрузку на водные объекты, в том числе со стороны сельского и водного хозяйства. К их числу относится Курская область, обладающая небольшими ресурсами местного стока, на ее примере выполнен основной объем данного исследования.
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Методологической основой исследования служит географо-гидрологический метод, дополненный представлением о гидрологической ярусности речного бассейна, элементы которой (атмосферный приземный слой, растительность, поверхностный слой почвы, зоны аэрации и насыщения) по-разному трансформируют осадки в сток и по-разному изменяют их химический состав. Инструментом изучения вертикального гидрологического устройства территории служит элементная структура водного баланса (Коронкевич, 1990) и тесно связанного с ним водно-биогенного баланса (Долгов, Коронкевич, 2010, 2019).
Непосредственные наблюдения за элементами водно-биогенного баланса речных водосборов до настоящего времени не проводятся. Поэтому использовались опубликованные данные об отдельных источниках поступления биогенных элементов (Закруткин и др., 2004; Обзор…, 2016; Родин, Базилевич, 1965; Родин и др., 1968; Семыкин и др., 2019; Хрисанов, Осипов, 1993), анализировались результаты экспедиционных работ ИГ РАН.
В качестве исходной информации также использовались многолетние ряды наблюдений Росгидромета за водным стоком в 11 створах на реках Курской области. Анализировались как полный речной сток, так и поверхностная и подземная его составляющие. Подземный сток рассчитан путем расчленения гидрографов речного стока по видам питания. Поверхностная составляющая стока (включающая сток верховодки) определена по разности полного речного стока и подземного стока. В расчетах биогенного стока роль этих составляющих оценивалась как в отношении величины их водного стока, так и относительно содержания в них минерального азота и фосфора.
Поскольку наблюдения за содержанием биогенных веществ непосредственно в поверхностной составляющей стока не проводятся, оно определялось по уравнению:
(1)
$\begin{gathered} {{{\text{C}}}_{{{\text{поверх}}{\text{.ст}}{\text{.}}}}} = \\ = ({{{\text{C}}}_{{{\text{реч}}{\text{.ст}}{\text{.}}}}}{{{\text{H}}}_{{{\text{реч}}{\text{.ст}}{\text{.}}}}} - {{{\text{C}}}_{{{\text{подз}}{\text{.ст}}{\text{.}}}}}{{{\text{H}}}_{{{\text{подз}}{\text{.ст}}{\text{.}}}}})/{{{\text{H}}}_{{{\text{поверх}}{\text{.ст}}{\text{.}}}}}, \\ \end{gathered} $Для оценки выноса азота и фосфора с водным стоком обобщены гидрохимические данные Росгидромета за годы разной водности (1991, 1995, 1996 гг.) и результаты экспедиционного обследования рек (без учета р. Сейм). Средняя концентрация общего минерального азота и фосфора в речных водах Курской области в период половодья наибольшая – 1.81 и 0.16 мг/л соответственно. В маловодный сезон теплого периода она значительно снижается – до 0.91 и 0.13 мг/л соответственно, концентрация возрастает затем в маловодный сезон холодного периода до 1.66 и 0.12 мг/л.
Недостающая информация восполнена результатами химического анализа проб атмосферных осадков, речных и грунтовых вод, отобранных в ходе экспедиционных работ ИГ РАН в 1997, 1998, 2017, 2018, 2020 гг. в половодье, летне-осеннюю и зимнюю межень. В связи с недостаточностью режимных наблюдений Росгидромета при экспедиционном обследовании особое внимание уделено малым рекам, находящимся в условиях интенсивного, преимущественно сельскохозяйственного воздействия.
Возможность обогащения биогенными элементами атмосферных осадков в различных ландшафтах оценивалась по водным вытяжкам из образцов растений, почв и грунтов зоны аэрации (при фиксированных параметрах: соотношении их твердой фазы с дистиллированной водой 1 : 100, 30-минутном контакте и температуре 25°C). Полученные в лабораторных условиях данные характеризуют возможную (потенциальную) активность поверхности почвы насыщать биогенными элементами атмосферные осадки. В реальных условиях содержание биогенов в образующихся поверхностно-почвенных водах в значительной мере зависит от сочетания этих параметров.
Химический анализ водных вытяжек, проб поверхностных и подземных вод выполнен с помощью портативного спектрофотометра DR/2010 фирмы “HACH” во время экспедиционных работ и в Институте биохимической физики РАН (ИБХФ РАН).
Содержание биогенных элементов определялось фотометрическим методом в соответствии с ГОСТ 33045–2014: ионов аммония с использованием реактива Несслера, нитритных ионов с использованием реактива Грисса. Концентрация нитратных ионов определялась с предварительным восстановлением кадмием до нитритов по методике, аттестованной ВНИИМС (свидетельство об аттестации № 16-09 от 4 мая 2009 г.). Содержание минерального фосфора оценивалось по методу определения ортофосфатов и полифосфатов с использованием аскорбиновой кислоты (ГОСТ 18309-2014).
Значительный объем исходной информации представлен результатами многолетних наблюдений Росгидромета за температурой воздуха и атмосферными осадками (данные ВНИИГМИ –МЦД), а также материалами наблюдений за поверхностным склоновым стоком на Новосильском стационаре ВНИАЛМИ (Барабанов, 2017; Барабанов и др., 2018). Кроме того, анализировалась данные Росреестра и Росстата об использовании земельного фонда Курской области.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Формирование водно-биогенного баланса речных водосборов тесным образом связано с их ландшафтной неоднородностью не только в плане, но и в вертикальном направлении, не менее важном для изучения источников поступления и путей миграции биогенных элементов в речную сеть.
Особенности гидрохимического функционирования элементов гидрологической ярусности речных бассейнов. Расчеты показали, что уже с атмосферными осадками на речные водосборы привносится весьма существенное количество биогенов. Если судить по репрезентативным наблюдениям метеостанции им. Небольсина (31 км к юго-западу от центра Москвы) за 1958–1966 гг., то величина среднегодовой концентрации минерального азота в осадках составляет 1.05 мг/л (Ресурсы…, 1973). Тогда величина поступления биогенов с годовыми осадками оказывается достаточно высокой (азота минерального – 641 кг/км2).
Ежегодно возобновляемым источником поступления биогенов на речные водосборы является также растительность, в водных вытяжках из которой минерального азота и фосфора содержится значительно больше, чем из поверхностного слоя почв (рис. 1). Существенное влияние на миграцию биогенных элементов растительность оказывает даже в вегетационный период, в который осадки насыщаются минеральным азотом и фосфором при вымывании их не только из мертвых тканей растений (опада, подстилки), но и живых. В дождевом смыве из крон деревьев биогенов содержится нередко в разы больше, чем в самих осадках (табл. 1).
Таблица 1.
Элемент водного баланса | Минера-лизация | Аммонийный азот (N-N${\text{H}}_{4}^{ + }$) | Нитраты (N-N${\text{O}}_{3}^{ - }$) | Нитриты (N-N${\text{O}}_{2}^{ - }$) | Азот минеральный | Фосфаты (P-${\text{PO}}_{4}^{{3 - }}$) |
---|---|---|---|---|---|---|
Дождевой сток с шиферной кровли | 27 | 1.28 | 0.1 | 0.04 | 1.42 | 0.02 |
Дождевой смыв с кроны яблони | 57 | 1.19 | 2.0 | 0.03 | 3.22 | 0.14 |
Поверхностный сток по грунтовой дороге | 74 | 1.29 | 7.2 | 0.36 | 8.85 | 1.20 |
Сток грунтовых вод (колодец, глубина 12 м) | 1363 | 0.13 | 15.5 | 0.77 | 16.4 | 0.22 |
Речной сток (р. Бузулук – г. Новоаннинский) | 1720 | 0.28 | 1.4 | 0.01 | 1.69 | 0.43 |
Важную роль в миграции биогенных веществ в реки с их водосборов играет поверхностный слой почв. В нем формируются поверхностный склоновый сток и инфильтрация атмосферных осадков, аккумулируются биогенные элементы, поступающие в результате их вымывания осадками из растений и минерализации остатков надземной и подземной частей растительности, почвенных водорослей, а также за счет фиксации азота из атмосферы почвенными микроорганизмами. Кроме того, в этом слое накапливаются биогены антропогенного происхождения, поступающие из производственных и бытовых отходов, мусорных свалок, минеральных удобрений и т.д.
Часть биогенных элементов вымывается из поверхностного слоя почвы с поверхностным склоновым стоком, другая часть мигрирует с фильтрующейся влагой в почвогрунты зоны аэрации. Достигая водоносных горизонтов в зоне насыщения, биогены могут накапливаться вследствие низкой скорости водообмена. По этой причине в грунтовых водах нередко обнаруживается более высокое содержание биогенных веществ, чем в речных водах – в среднем на 35–40% (рис. 2). В летне-осеннюю межень такой ситуации также способствует активное потребление биогенных элементов прибрежной водной растительностью и речным фитопланктоном.
Миграция биогенных элементов, особенно нитратов, в грунтовые воды возможна даже при большой мощности зоны аэрации (более 3–5 м). Это связано с тем, что, просачиваясь ниже 3–5 м от поверхности земли, осадки уже практически не испаряются и могут достигать грунтовых вод (Долгов, Коронкевич, 1999). О возможности миграции нитратов на значительную глубину свидетельствуют результаты полевых исследований в степной зоне (Агроценозы…, 1984; Закруткин и др., 2004). Вероятна также миграция фосфора минерального, на это указывает, например, его наличие в водных вытяжках из суглинистых почвогрунтов зоны аэрации на водосборе р. Бузулук в слое от 0 до 5 м (рис. 3).
Таким образом, каждый из вышеперечисленных слоев вертикальной гидрологической структуры речного бассейна обладает специфическими особенностями гидрохимического функционирования. Кроме того, свои коррективы вносит ландшафтная структура речного водосбора, обуславливающая пространственную неоднородность миграции биогенов с водным стоком, прежде всего, с поверхностной его составляющей.
Роль ландшафтной структуры территории в миграции биогенов с поверхностным склоновым стоком. На рассматриваемой территории преобладают сельскохозяйственные угодья. Полями с рыхлой к началу половодья почвой (зябью и черным паром) занято 45% площади Курской области. Доля угодий с уплотненной почвой (озимые, многолетние травы, пастбища, залежи) – 26.7%. На земли лесного фонда и лесные насаждения, не входящие в лесной фонд, приходится 9.6%, на урбанизированные территории с высоким коэффициентом стока (земли застройки, промышленности, под дорогами) – 5.9%, на гидрографическую сеть – 12.8% территории.
Ландшафтная неоднородность территории начинает сказываться на содержании биогенных элементов в поверхностном склоновом стоке и инфильтрации уже в начальной стадии их формирования. Существенное влияние оказывает территориальная дифференциация растительности. В лесных массивах поверхностный склоновый сток небольшой, нередко даже отсутствует, вынос биогенов осуществляется главным образом в процессе инфильтрации и далее со стоком верховодки и с подземным стоком (Долгов, Коронкевич, 2019).
В лесу снег к началу весеннего половодья обогащен биогенами нередко больше, чем на открытых полевых участках. Так, результаты химического анализа 19 образцов снега, отобранных в Курской области 26–29 января 2018 г., показали, что более высокое содержание минерального азота и фосфора наблюдается в снежном покрове на участках с лесной растительностью (соответственно 1.47 и 0.021 мг/л), чем на открытых полевых и луговых участках (1.35 и 0.020 мг/л).
К наиболее важному региональному фактору антропогенного преобразования ландшафтов относится растениеводство. Площадь посевов в Курской области к 1980 г. достигла 1957 тыс. га (пашня – 2044.7 тыс. га). Затем она уменьшилась в 1990 г. до 1855.4 тыс. га (пашня – 1970.8 тыс. га). В связи с экономическим спадом к 2010 г. посевная площадь значительно сократилась – на 31% по отношению к уровню 1980 г. (пашня – на 23%). Впоследствии она постепенно восстанавливалась и составила в 2018 г., как и пашня, 83% от уровня 1980 г. Структура посевной площади с 1980 г. практически не изменилась. Доля уплотненной пашни к началу весеннего половодья почвы по-прежнему составляет 31–32%.
Сокращение площади пашни (при практически не изменившейся ее структуре) способствовало снижению формирующегося на ней объема поверхностного склонового стока – на 18–24% относительно уровня 1980 г. (рис. 4). Однако выводимые из севооборотов площади представляют собой уплотненную почву, с более высоким коэффициентом стока, чем поля с осенней вспашкой. Приняв посевную площадь 1980 г. за основу, можно для большей части территории Курской области (69%) оценить динамику совокупного влияния на объем поверхностного стока сохранившейся структуры посевов и выведенных из севооборота площадей.
Расчеты показали, что в результате уменьшения площади пашни объем весеннего поверхностного склонового стока (с ее площади 1980 г.) должен был увеличиться в последнее десятилетие на 9–12%. Однако изменения сельского хозяйства и климата на современном этапе действуют на весенний поверхностный склоновый сток разнонаправленно. Причем вклад климатической составляющей в изменения склонового стока преобладает и составляет около 85% (Барабанов и др., 2018). В результате климатические изменения привели к противоположной тенденции – значительному сокращению поверхностного склонового стока и выноса с ним биогенов.
На посевной площади такой тенденции способствовало также снижение уровня использования удобрений. Особенно значительно сократилось применение минеральных удобрений в конце 1990-х годов – до 10% от уровня 1990 г. Если судить по водным вытяжкам, то в эти годы минеральным азотом обогащались талые и дождевые воды, прежде всего, на залежах (в среднем на 20% больше, чем на пашне) (Закруткин и др., 2004). В самые последние годы использование удобрений существенно возросло (в Курской области достигло 84% от уровня 1990 г.), но по-прежнему с единицы площади залежей в поверхностно-почвенные воды биогенов поступает больше, чем с единицы площади пашни (на 8% по минеральному азоту и 33% по фосфору) (табл. 2).
Таблица 2.
Элемент ландшафтной структуры | Число почвенных образцов | Азот минеральный |
Фосфор минеральный |
---|---|---|---|
Залежь | 8 | 0.294 | 0.041 |
Широколиственный лес | 6 | 0.402 | 0.044 |
Сосновый лес | 3 | 0.196 | 0.026 |
Сельскохозяйственные угодья (пашня), в том числе поля: | 19 | 0.269 | 0.027 |
занятые пшеницей | 6 | 0.241 | 0.026 |
занятые подсолнечником | 6 | 0.160 | 0.027 |
занятые кукурузой | 3 | 0.242 | 0.032 |
под чистым паром | 4 | 0.356 | 0.022 |
Из результатов гидрохимического обследования почв, выполненного ИГ РАН и ИБХФ РАН 18–25 июля 2020 г., следует, что в наибольшей степени насыщаются атмосферные осадки в широколиственных лесах, а в наименьшей – в сосняках (см. табл. 2).
Вынос биогенов с поверхностным стоком обусловлен не только ландшафтной структурой речного водосбора, но и влиянием климатических факторов, роль которых в последние десятилетия значительно возросла.
Влияние климатических факторов на вынос биогенов с водным стоком двоякое. С одной стороны этими факторами обусловлена концентрация биогенных веществ в водном стоке, а с другой – его величина. Для изучения гидрохимической роли отдельных климатических факторов особый интерес представляют лабораторные экспериментальные исследования, позволяющие исключить влияние других факторов.
К числу основных климатических факторов относится температура воздуха и соответствующая ей температура образующихся поверхностно-почвенных вод. Из лабораторного эксперимента следует, что с ростом температуры от 1 до 35°C при одной и той же величине осадков минерализация (вероятно, и содержание нитратов) в поверхностном склоновом стоке и просачивающейся в зону аэрации влаги может увеличиваться почти в 2 раза.
Концентрация биогенных веществ в поверхностно-почвенных водах обусловлена и продолжительностью контакта осадков с почвой. Особенно быстрое насыщение осадков солями и биогенами наблюдается в течение 30 мин от начала контакта (рис. 5), а не столь резко выраженное может продолжаться до 3–4 сут. Затем наступает равновесное состояние между жидкой и твердой фазами, и концентрация стабилизируется. Такая же ситуация отмечается по отношению к показателю pH (отсюда следует, например, вывод, что черноземная почва может достаточно быстро нейтрализовать кислотные осадки).
Помимо этих параметров содержание биогенов в образующихся растворах поверхностно-почвенных вод существенно зависит от величины осадков. Из полученной в лабораторных условиях зависимости (рис. 6) следует, что в годы с низкой увлажненностью осадками концентрация биогенов в поверхностном стоке с водосборной площади может возрастать в разы по сравнению с многоводными годами и значительно изменяться внутри года, достигая максимальной величины при небольших осадках.
Оценка регионального эффекта изменения климата за 2008–2016 гг. показала, что в многолетней динамике годовых осадков, осадков за холодный (ноябрь–март) и теплый (апрель–октябрь) периоды отчетливо выраженные тренды отсутствуют. Отмечается небольшой рост осадков холодного периода (на 11% относительно нормы по состоянию на 1980 г.), а осадки теплого периода, напротив, уменьшились (на 4%).
Наиболее важным фактором стало увеличение температуры воздуха, изменение которой сказывается не только на содержании биогенов в образующихся поверхностно-почвенных водах, но и на степени участия поверхностной и подземной составляющих стока в миграции биогенов. С 1981 по 2017 г. рост температуры за холодный период составил 1.7°C, за теплый период – 1°C. Причем в ближайшей перспективе выявленные тенденции в многолетнем ходе температуры воздуха, скорее всего, сохранятся, поскольку в десятилетие 2008–2017 гг. рост температуры не только не замедлился, но даже ускорился. Относительно нормы по состоянию на 1980 г. температура возросла в холодный период на 2.5°C, в теплый период – на 1.9°C.
Увеличение температуры в холодный период привело к уменьшению глубины промерзания почвогрунтов и к участившимся оттепелям, во время которых значительная доля талых вод стала расходоваться не на образование поверхностного стока, а на инфильтрацию в зону аэрации. Характерной тенденцией с начала 1980-х годов стало увеличение величины инфильтрации (на 13–16% за весь холодный период года, включая половодье) и резкое снижение величины весеннего поверхностного склонового стока (69% на уплотненной почве и 77% на рыхлой пашне) (Барабанов и др., 2018а) и речного стока в период весеннего половодья.
По этой причине, а также вследствие увеличения испарения в теплый период, годовой речной сток в Курской области за 2008–2016 годы существенно сократился – на 30–40% (средневзвешенный по площадям водосбора 8 рек по отношению к норме, по К.П. Воскресенскому) (Воскресенский, 1962). При этом поверхностная составляющая значительно уменьшилась и составляет в среднем 29 мм (35% от величины годового стока), а подземная, напротив, возросла до 54 мм (65%). Соответственно, снизилась роль поверхностной составляющей в миграции биогенных веществ, а подземной, напротив, выросла. Вклад в этот процесс поверхностного стока (в основном стока верховодки) с речных водосборов остается наибольшим в период весеннего половодья (27% от величины годового стока) (рис. 7). Миграция биогенов с подземным стоком происходит главным образом в межень теплого периода (27%) и холодного периода (25%).
Водно-биогенный баланс территории Курской области
Природные составляющие поступления биогенов. Результаты ориентировочной оценки годового водно-биогенного баланса территории Курской области, сложившегося в последнее десятилетие, показали, что доля природной составляющей (табл. 3) в суммарной его приходной части значительно меньше доли антропогенного поступления. Она составляет по азоту лишь 24%, еще меньше по фосфору – 6%. Однако по отношению к выносу с речным стоком природное поступление биогенов остается достаточно высоким и превышает их вынос со стоком в 16 раз по азоту и 4.5 раза по фосфору. В основном азот и фосфор поступают с опадом лесной растительности и травянистой на лугах, пастбищах, залежах. Существенным источником поступления биогенов являются атмосферные осадки. Поступление азота с осадками в 3 раза превышает вынос с водным стоком (без учета сточных вод), а поступление фосфора, напротив, в 2 раза меньше выноса.
Таблица 3.
Биогенные вещества | Природное поступление | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
атмосфер-ные осадки | вымывание из крон деревьев дождями в лесах* | лесной расти-тельный опад** | биофиксация азота на сельскохо-зяйственных угодьях*** | опад на заболо-ченных землях**** | опад на лугах, пастбищах и заброшенных сельскохо-зяйственных полях**** | с пылью из атмо-сферы*** | в сумме от всех видов природного поступления | |
кг/км2 (относительно площади области) | ||||||||
Азот общий | 641 | 53 | 443 | 1788 | 27 | 243 | 40 | 3235 |
Фосфор общий | 13 | 3.2 | 67 | – | 1.8 | 27 | 4.41) | 116 |
Антропогенные составляющие. Современная суммарная антропогенная биогенная нагрузка значительно превышает поступление биогенов с осадками (климатический фон) – по азоту в 16 раз и особенно по фосфору – в 143 раза (табл. 4). Доля антропогенной составляющей в суммарной приходной части баланса составляет по азоту 76% и фосфору 94%. Наибольшая биогенная нагрузка обусловлена применением минеральных удобрений. Вместе с тем из приведенных в работе (Семыкин и др., 2019) данных следует, что наблюдаемое в последние годы увеличение количества вносимых минеральных удобрений не может рассматриваться в качестве основного негативного гидроэкологического фактора. Оно компенсировано еще большей величиной выноса биогенов с урожаем (азота в среднем на 16%, фосфора – на 8% за 2015–2017 гг.). Кроме того, весенний поверхностный склоновый сток значительно сократился, соответственно снизился вынос с пашни привнесенных с удобрениями биогенных элементов.
Таблица 4.
Составляющие баланса | Азот общий | Фосфор общий | |
---|---|---|---|
Поступление (антропогенное) | Население без доступа к канализации* | 38.4 | 7.8 |
Животноводство* | 1300 | 530 | |
Минеральные удобрения** | 7261 | 1043 | |
Пожнивные остатки** | 1383 | 249 | |
Семена*** | 221 | 29.51) | |
Сумма | 10 203 | 1859 | |
Вынос | Урожай сельскохозяйственных культур** | 8394 | 1125 |
Газообразные потери из минеральных удобрений*** | 1089 | – | |
Эмиссия аммиака из навоза КРС и свиней до его использования**** | 339 | – | |
Денитрификация на пашне*** | 476 | – | |
Улетучивание и денитрификация на залежах и пастбищах***** | 1232 | – | |
Газообразные потери из органических удобрений после внесения их в почву****** | 173 | – | |
Речной сток, в том числе | 248 | 31.5 | |
сточные воды при водопотреблении | 17 | 0.8 | |
Сумма | 11 951 | 1156 |
Примечание. * Ясинский и др., 2020; ** Семыкин и др., 2019; *** Агроценозы…, 1984; **** Гриднев, Гриднева, 2017; ***** принято, что на залежах и пастбищах потери азота от денитрификации и улетучивания уравновешиваются его поступлением в результате биологической фиксации и с выпадения атмосферных осадков; ****** величина потерь (18%) принята такой же, как и для эмиссии аммиака из навоза до его использования; 1) – рассчитано по соотношению азота и фосфора в урожае.
Существенную негативную роль, с тенденцией к усилению, играет дорожно-транспортная нагрузка, обеспечивая поступление биогенов даже больше, чем со сточными водами при водопотреблении. Плотность одних лишь автомобильных дорог с твердым покрытием (0.36 км/км2) превысила густоту речной сети (0.25 км/км2). В результате экспедиционных работ установлено, что в среднем по территории Курской области концентрация азота минерального в придорожном стоке выше его концентрации в речном стоке в 1.8 раза, а фосфора – в 4.4 раза.
Особенно высокая биогенная нагрузка на речные воды оказывается населенными пунктами (включая их дорожную сеть), особенно вследствие сброса сточных вод. По данным Росгидромета, для года с максимальной антропогенной нагрузкой (1991 г.) оценено влияние 8 крупных населенных пунктов (с численностью населения от 3500 до 450 000 чел.) на содержание в реках минерального азота и фосфора. Наибольшее его увеличение (по отношению к верхнему створу) наблюдается на р. Сейм ниже г. Курска (на 85–90%) и ниже г. Курчатова (лишь по фосфору – более 100%), а также на р. Псел ниже г. Обоянь (55% по азоту и 30% по фосфору). Негативное влияние остальных 5 населенных пунктов меньше (6–7%).
Внутригодовое распределение стока биогенных веществ. Годовой вынос минерального азота с речным стоком в 2008–2016 гг. составляет в среднем для территории Курской области 124 кг/км2, минерального фосфора – 13 кг/км2. С поверхностным стоком с речных водосборов выносится 41% азота и 48% фосфора от величины годового выноса с полным стоком, с подземным стоком – больше, соответственно 59 и 52% (табл. 5).
Таблица 5.
Показатель водного стока | Год | Маловодный сезон холодного периода | Период половодья | Маловодный сезон теплого периода | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
кг/км2 | % | кг/км2 | % | кг/км2 | % | кг/км2 | % | |
Азот | ||||||||
Речной сток, в том числе | 124.0 | 100 | 41.5 | 33.4 | 59.9 | 48.3 | 22.7 | 18.3 |
подземный сток | 73.0 | 58.9 | 34.8 | 28.1 | 18.2 | 14.7 | 20.0 | 16.1 |
поверхностный сток | 51.0 | 41.1 | 6.6 | 5.3 | 41.6 | 33.6 | 2.7 | 2.2 |
Фосфор | ||||||||
Речной сток, в том числе | 12.6 | 100 | 4.0 | 32.0 | 5.3 | 42.2 | 3.3 | 25.8 |
подземный сток | 6.6 | 52.3 | 2.6 | 20.4 | 1.3 | 10.7 | 2.7 | 21.3 |
поверхностный сток | 6.0 | 47.7 | 1.4 | 11.1 | 4.0 | 31.5 | 0.6 | 4.5 |
Вынос биогенов с поверхностной составляющей стока максимален в период половодья и составляет 34% по минеральному азоту и 32% по минеральному фосфору (см. табл. 5). В маловодные сезоны холодного и теплого периодов года поверхностный вынос биогенных веществ снижается до 2–5%. Иная ситуация наблюдается в отношении выноса биогенов с дренируемым реками подземным стоком. Небольшая его величина (15% по азоту и 11% по фосфору) отмечается в половодье, а в маловодный сезон холодного периода она существенно возрастает (соответственно до 28 и 20%).
Как было отмечено выше, поверхностная составляющая речного стока в Курской области за 2008–2016 годы значительно сократилась (на 65% относительно нормы по К.П. Воскресенскому), что не компенсировано небольшим увеличением подземной составляющей стока (на 20%). В итоге сток биогенных элементов с суммарным стоком существенно снизился, но их концентрация в речных водах остается достаточно высокой и нередко превышает ПДК. Вероятно, это обусловлено увеличением в последние годы температуры речных вод, что требует специального рассмотрения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несмотря на благоприятное в гидроэкологическом отношении географическое положение Курской области и сокращение объема сточных вод, состояние водных ресурсов в последние годы остается далеким от экологического благополучия, в том числе в отношении содержания биогенов. Негативной гидроэкологической ситуации способствовало усиление с начала 2000-х годов антропогенной нагрузки – роста урбанизированных территорий, дорожно-транспортной сети и др.
Вместе с тем увеличение в последние годы количества вносимых минеральных удобрений не может рассматриваться в качестве основного негативного гидроэкологического фактора, поскольку оно компенсировано еще большей величиной выноса биогенов с урожаем. Кроме того, весенний поверхностный склоновый сток значительно сократился, соответственно снизился вынос с ним биогенных веществ.
В последние десятилетия вследствие потепления климата наблюдаются кардинальные изменения в формировании водного и водно-биогенного баланса в лесостепной зоне. Они не имеют аналогов за весь период инструментальных наблюдений. Особенно это касается значительно возросшей роли инфильтрации и подземного стока в миграции с водосборов биогенных и других химических элементов. Доля подземной составляющей стока в суммарном годовом выносе азота с речных водосборов стала преобладать над поверхностной составляющей. Однако такие климатические изменения в структуре диффузного стока биогенных элементов не привели к улучшению гидроэкологической ситуации, поскольку дренируемые реками подземные воды нередко содержат эти элементы в большей концентрации, чем поверхностные.
Существенное негативное влияние на состояние речных вод оказывает недостаточно эффективная работа природо- и водоохранных органов, особенно по предотвращению загрязнений прибрежных участков многих рек (в том числе в пределах водоохранных зон) производственными и бытовыми отходами, мусором и т.д. Практически отсутствует экологический контроль над сельскохозяйственной деятельностью в многочисленных личных подсобных хозяйствах, находящихся вблизи от рек. Остается неконтролируемым диффузное поступление загрязняющих веществ в реки с их водосборов, которое значительно преобладает над их поступлением со сточными водами.
Полученные результаты носят ориентировочный характер. Более детальный анализ элементов водно-биогенного баланса речных бассейнов, как расходной его части, так и приходной – предмет дальнейших исследований.
Список литературы
Агроценозы степной зоны / ред. А.А. Титлянова, В.И. Кирюшин, И.П. Охинько и др. Новосибирск: Наука, 1984. 246 с.
Барабанов А.Т. Эрозионно-гидрологическая оценка взаимодействия природных и антропогенных факторов формирования поверхностного стока талых вод и адаптивно-ландшафтное земледелие. Волгоград: ФНЦ агроэкологии РАН, 2017. 188 с.
Барабанов А.Т., Долгов С.В., Коронкевич Н.И. Влияние современных изменений климата и сельскохозяйственной деятельности на весенний поверхностный склоновый сток в лесостепных и степных районах Русской равнины // Водные ресурсы. 2018. Т. 45. № 4. С. 332–340.
Барабанов А.Т., Долгов С.В., Коронкевич Н.И., Панов В.И., Петелько А.И. Поверхностный сток и инфильтрация в почву талых вод на пашне в лесостепной и степной зонах Восточно-Европейской равнины // Почвоведение. 2018. № 1. С. 74–81.
Воскресенский К.П. Норма и изменчивость годового стока рек Советского Союза. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 548 с.
Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Эмиссия парниковых газов и аммиака из навоза в процессе уборки и подготовки его к использованию // Вестн. ВНИИМЖ. 2017. № 1 (25). С. 25–33.
Долгов С.В., Коронкевич Н.И. Географо-гидрологическое изучение зоны аэрации // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1999. № 2. С. 17–30.
Долгов С.В., Коронкевич Н.И. Гидрологическая ярусность равнинной территории // Изв. РАН. Сер. геогр. 2010. № 1. С. 7–25.
Долгов С.В., Коронкевич Н.И. Современные изменения выноса биогенных веществ в реки бассейна Волги на юге лесной зоны // Изв. РАН. Сер. геогр. 2019. № 5. С. 43–55.
Закруткин В.Е., Коронкевич Н.И., Шишкина Д.Ю., Долгов С.В. Закономерности антропогенного преобразования малых водосборов степной зоны Юга России (в пределах Ростовской области). Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. ун-та, 2004. 252 с.
Коронкевич Н.И. Водный баланс Русской равнины и его антропогенные изменения. М.: Наука, 1990. 205 с.
Назаров Н.А. Оценки эрозионного смыва почв и выноса биогенных элементов с поверхностным стоком талых и дождевых вод в речном бассейне // Водные ресурсы. 1996. Т 23. № 6. С. 645–652.
Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2015 год / отв. ред. Г.М. Черногаева. М.: Росгидромет, 2016. 223 с.
Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 10. Верхне-Волжский район. Кн. 1. М.: Моск. отд. гидрометеоиздата, 1973.
Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот в основных типах растительности земного шара. М.–Л.: Наука, 1965. 254 с.
Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. Л.: Наука, 1968. 145 с.
Семыкин В.А., Пигорев И.Я., Никитина О.В. Баланс элементов питания и гумуса в землях сельскохозяйственного назначения Курской области // Вестн. Курской гос. сельскохоз. академии. 2019. № 3. С. 6–11.
Хрисанов Н.И., Осипов Г.К. Управление эвтрофированием водоемов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 279 с.
Чернышев Е.П., Барымова Н.А., Иванова Н.Б., Китаев Л.М. Пространственно-временная дифференциация гидрологических процессов и связанного с ними вещественного обмена в системе “водосбор–река” / Географо-гидрологические исследования. М.: ИГ РАН, МЦ ГО РФ, 1992. С. 4–26.
Шилькрот Г.С., Ясинский С.В. Пространственно-временная изменчивость потока биогенных элементов и качества воды малой реки // Водные ресурсы. 2002. Т. 29. № 3. С. 343–349.
Ясинский С.В., Гуров Ф.Н. Метод оценки характеристик диффузного загрязнения малых рек на основе ландшафтно-гидрологического подхода (на примере р. Истры) // Водное хозяйство России. 2006. № 2. С. 41–71.
Ясинский С.В., Кашутина Е.А., Сидорова М.В., Нары-ков А.Н. Антропогенная нагрузка и влияние водосбора на диффузный сток биогенных элементов в крупный водный объект (на примере водосбора Чебоксарского водохранилища) // Водные ресурсы. 2020. Т. 47. № 5. С. 630–648.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Серия географическая