UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.06.01 Сельское хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
is to study the removal of nutrients (nitrogen, phosphorus and potassium) by surface runoff of melt and rainwater depending on the presence of these substances in the soil during the runoff period. Methods. Two-factor field experiment was laid in Stepnoy settlement of the Rostov Re-gion on common chernozems. Estimated doses of fertilizers were applied to the planned corn yield by the variants (a factor A) with the yield from 6,0 t/ha up to 14 t/ha. Fertilizer was applied in autumn with application of 50% nitrogen, phosphorus and potassium - 100% of calculated dose for the basic tillage (25-27 cm deep plowing) and 50% nitrogen (ammonium nitrate) in spring for pre-sowing period. Rainwater runoff was formed by sprinklers of YuzhNIIGiM design with specified intensity by variants (factor B): from 0.7 to 1.5 mm/min. Melt water runoff was studied on runoff platforms of 5x20 m, located along the slope (2-2.5°) with a runoff collection tray in the lower part. Results and discussion. The studies showed that the removal of nutrients with surface runoff depends on their content in the soil and the intensity of rainfall. Quantitative composition of nitrogen compounds in liquid runoff was as follows: nitrates - 94.4 % (0.17 to 8.75 mg/dm3) in melt water, ammonia ions - 5.4 % (0.09 to 0.51 mg/dm3) in lesser de-gree. ) and nitrites - 0,2% (0,001 to 0,020 mg/dm3); liquid rainwater runoff contains nitrates - 97,4% (3,13 to 13,72 mg/dm3), respectively, less ammonia ions - 1,97% (0,05 to 0,34 mg/dm3) and nitrites - 0,6% (0,001 to 0,13 mg/dm3); phosphorus content in liquid runoff was 0,04 to 0,217 mg/dm3 in melting water and 0,023 mg/dm3 in rainwater. in rainfall runoff from 0,022 to 0,21 mg/dm3, and of potassium 15,01-80,64 mg/dm3 in melt water and 28,10-124,0 mg/dm3 in rainfall runoff. Conclusions. The derived interrelation equations have made it possible to develop an al-gorithm for calculation and prognosis of nutrients removal from soils and to calculate harm to water resources from pollutants mass introduction with the liquid runoff of melting and rain wa-ters into surface water objects.
surface runoff, meltwater runoff, rainwater runoff, nutrients, water bodies
В современных условиях интенсификации сельскохозяйственного производства на ряду с дефицитом водных ресурсов важным вопросом является загрязнений водных объектов биогенными веществами поверхностным стоком [1–4]. Самая большая доля загрязняющих веществ поступает в поверхностные водные объекты с земель сельскохозяйственного назначения [5–7]. Это обусловлено внесением удобрений, использованием пестицидов, регуляторов роста и других агрохимикатов. Среди источников загрязнения поверхностных водных объектов так же можно выделить животноводческие, свиноводческие и птицеводческие комплексы, которые являются неконтролируемыми источниками поступления взвешенных веществ, органических соединений, биогенных элементов и патогенной микрофлоры, что вызывает биохимическое загрязнение и пагубно отражается на состоянии водоемов.
Удобрения при интенсивном возделывании сельскохозяйственных культур обычно вносятся большими нормами 200-300 кг/га и более [8]. Поэтому исследование и изучение закономерностей поступления основных биогенных веществ ,
,
,
и
в водные объекты является важной проблемой и актуально для разработки мероприятий по снижению сбросов таких веществ в водные объекты [9]. Учеными установлено, что на вынос биогенных веществ оказывает большое влияние их содержание в верхнем пахотном слое почвы [1–3]. Установлено, что, если подвижный фосфор и калий в почве – относительно устойчивые к вымыванию элементы, то содержание соединений азота в почве меняется быстро [10–11]. Соединения азота
,
,
очень подвижны в почве, так как они используются растениями для формирования урожая, часть вымывается сточными водами и часть испаряется в воздух [12].
В связи с этим основной целью исследований является определение выноса биогенных веществ (азота, фосфора и калия) поверхностным стоком талых и дождевых вод из чернозема обыкновенного в зависимости от наличия этих веществ в почве в период стока.
Материалы и методы. Двухфакторный полевой опыт закладывался в 2013-2015 годах на опытном участке в п. Степной Ростовской области на черноземах обыкновенных [13]. Расчетные дозы удобрений вносились на планируемую урожайность кукурузы на зерно по вариантам (фактор А): 1 – 6,0 т/га, 2 – 8 т/га; 3 – 10 т/га, 4 – 12 т/га и 5 – 14 т/га. Удобрения вносились осенью нормой: азот 50 %, фосфор и калий по 100 % от расчетной дозы под основную обработку (вспашку на глубину 25-27 см) и 50 % азота (аммиачная селитра) весной в предпосевной период. Площадь делянок по 100 м2. Сток талых вод изучался на стоковых площадках 5х20 м, располагали длинной стороной вдоль уклона (2-2,2°), в нижней части которых устраивали лоток для сбора стока (рис. 1).
Рис. 1. Водоприемный лоток стоковой площадки,
п. Степной (фото Балакай Г. Т.).
За период исследований сток талых вод в количестве 20,3 мм наблюдался только в 2017 году. Сток дождевых вод изучали в 2014-2016 годах на посевах монокультуры кукурузы на зерно в фазу 5-6 листьев на стоковых площадках размером 2х1 метр, осадки создавали искусственным дождеванием устройством конструкции РосНИИПМ с регулируемой интенсивностью дождя по вариантам (фактор В): первый – 0,7; второй вариант – 0,9; третий – 1,2, четвертый вариант – 1,5 мм/мин продолжительностью по 20 минут (q20), достаточной для образования стока при влажности почвы 0,9-0,95 НВ (наименьшей влагоемкости (НВ) =30,2 % от массы сухой почвы) в слое 0,25 м. Наблюдения и учеты проводились по общепринятым методикам. В почве определяли нитрификационную способность, азот легкогидролизуемый, подвижный фосфор и калий. В жидкой фазе поверхностного стока талых вод и дождя определяли растворенные ,
,
,
и
в четырехкратной повторности. Наблюдения и учеты проводились по общепринятым методикам [14–15].
Результаты и обсуждение. Обобщение полученных данных позволил получить данные влияния стока талых и дождевых вод на вынос растворенных в сточной воде веществ ,
,
,
и
, провести математический анализ и установить закономерности и взаимосвязи выноса биогенных веществ с жидким стоком и их содержанием в почве.
Так, в стоках талых вод общее содержание ионов ,
,
азота составляла по вариантам от 0,367 до 8,172 мг/дм3, а в стоке дождевых вод от 3,201 до 14,147 мг/дм3 при содержании в почве от 6,02 до 64,4 мг/кг в период стока талых вод и от 23,9 до 60,6 мг/кг при стоке дождевых вод. Получены взаимосвязи влияния наличия в почве (х) ионов
,
,
на их содержание в жидком стоке талых вод (у), описываемые уравнением
Ут = 0,0006х2 + 0,0898х – 0,3184 и дождевых вод Уд = 0,0008х2 + 0,235х – 2,969 с высокими коэффициентами аппроксимации 0,95-0,96 (рис. 2).
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 2. Влияние наличия в пахотном слое почвы соединений азота
( +
+
) на их содержание в стоках
талых (а) и дождевых (б) вод
Установлено, что в стоке талых вод содержалось в большей степени из азотных соединений: нитратов – 94,4 % ( от 0,17 до 8,75 мг/дм3), меньше ионов аммиака – 5,4 % (
от 0,09 до 0,51 мг/дм3) и нитритов всего – 0,2 % от (
от 0,001 до 0,020 мг/дм3; в стоке дождевых вод содержится соответственно нитратов – 97,4 % (
от 3,13 до 13,72 мг/дм3), меньше ионов аммиака – 1,97 % (
от 0,05 до 0,34 мг/дм3) и нитритов всего – 0,6 % от (
от 0,001 до 0,13 мг/дм3). По результатам исследований получены зависимости выноса биогенных азотистых веществ талыми водами в зависимости от их содержания в пахотном слое почвы, в т. ч.: по выносу нитратов с талой водой зависимость описывается уравнением вида Ут = 0,0006х2 + 0,1128х – 0,0409 и дождевыми водами Уд = 0,0045х2 + 0,0167х (рис. 3); по выносу аммиака зависимость описывается уравнением вида для талых вод Ут = 0,0023х2 + 0,0205х + 0,0049 и для дождевых вод Уд = -0,0018х2 + 0,0477х + 0,0872 (рис. 4); по выносу нитритов (рис. 5) зависимость описывается уравнением вида для талых вод Ут = 0,0086х2 – 0,001х + 0,0012 и для дождевых вод Уд = 0,0045х2+0,0167х.
Другими важными элементами питания для растений являются фосфор и калий. Для получения высокой урожайности кукурузы на зерно порядка 12-14 т/га зерна требуется внесение около одной тонны удобрений в физическом весе и, естественно, такие большие дозы способствуют увеличению растворения их в сточной воде и выноса со сточной водой. Зависимость выноса фосфора с жидким стоком талых вод описывается уравнением Уф = 0,000009х2 + 0,0035х – 0,0383 при R2 =0,89 и с дождевыми водами
Уд = 0,0025х + 0,0233 при R2 =0,90 (рис. 6).
Вынос калия жидким стоком талых и дождевых вод также увеличивается с внесением норм удобрений, которые описываются уравнениями вида: для стока талых вод Ут = 0,0001х2 + 0,0613х – 6,5379 при R2 = 0,97 и для дождевых вод Уд = 0,2603х2 – 32,415 при R2 = 0,93 (рис. 7).
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 3. Вынос нитратов NO в стоке талой (а) и дождевой (б) воды
в зависимости от их содержания в почве
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 4. Вынос аммиака NH стоком талой (а) и дождевой (б) воды
в зависимости от его содержания в почве
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 5. Вынос нитритов стоком талой (а) и дождевой воды
в зависимости от их содержания в почве
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 6. Вынос фосфора с талой и дождевой водой в зависимости
от его содержания в почве
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 7. Вынос калия с жидким стоком талых (а) и дождевых (б)
вод в зависимости от его содержания в почве
Полученные уравнения рекомендуется использовать при разработке программного обеспечения по расчету выноса биогенных (загрязняющих) веществ (ЗВ) со стоком талых и дождевых вод для исчисления размера вреда по методике [5], причиненного водным объектам вследствие загрязнения и нарушения водного законодательства (рис. 8).
Рис. 8. Алгоритм расчета выноса биогенных загрязняющих
веществ стоком талых и дождевых вод и вреда водным объектам
Для расчета массы биогенных ЗВ ( ,) поступающих в водные объекты со стоком талых и дождевых вод с черноземов обыкновенных необходимо знать следующие показатели:
– площадь территории (водосбора) хозяйствующего субъекта, га;
– концентрация
-го ЗВ, превышающего
, соответственно в дождевых (
) и талых (
) водах мг/дм3; объемы стока соответственно дождевых (
) и талых (
) вод, м3/га. Массу вредных биогенных ЗВ, превышающих
(предельно допустимые концентрации ЗВ для вод рыбохозяйственного назначения) определяют для каждого
-го ЗВ по формуле:
где – 10-6 – коэффициент перевода мг/дм3 в т/м3.
Используя полученные уравнения выноса биогенных ЗВ в зависимости от их наличия в почве можно расчетными методами рассчитать массу ЗВ, поступающих в водные объекты и вред, причиняемый водным объектам и сделать прогноз выноса биогенных веществ по их наличию в почве, а так же разработать программное обеспечение для расчета вреда водным ресурсам от поступления массы загрязняющих веществ с жидким стоком талых и дождевых вод в поверхностные водные объекты.
1. Surface flow of melted snow water on the central Russian upland / A. I. Petelko, A. T. Barabanov, V. V. Melikhov // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 12-14 may 2021, Volgograd, 2022. 012016. DOI: 10.1088/ 1755-1315/965/1/012016.
2. Shevchenko D. A., Balakay G. T. Formation of surface runoff of meltwater from loose arable land on ordinary chernozems in the conditions of the Stavropol Territory // Scientific journal of the Russian Research Institute of Reclamation Problems. 2017. No. 2(26). P. 19-36.
3. Kireicheva L. V., Yashin V. M., Lentyaeva E. A., Timoshkin A. D. Diffuse Runoff from Agricultural Lands within a River Basin and Water Protection Measures // Water Conservation Inevitable Strategy. Gebze: Gebze Technical University, 2022. P. 19-38. DOI:https://doi.org/10.5772/intechopen.100439.
4. Nitskaya S. G., Speransky V. S. Formation of surface runoff: textbook. Chelyabinsk, 2009. 38 p.
5. Conditions for the formation of surface runoff. Forecast of damage caused. Compensatory reclamation measures: monograph / V. N. Shchedrin [et al.]. Novocherkassk: RosNIIPM, 2016.450 p.
6. Kireicheva L. V., Lentyaeva E. A. Influence of agricultural production on the pollution of water bodies // Land improvement. 2020. No. 5. P. 18-26. DOI:https://doi.org/10.26897/1997-6011/2020-5-18-27.
7. Kireicheva L. V., Yashin V. M. The role of reclaimed lands in diffuse pollution of river waters by biogenic substances // International technical and economic journal. 2020. No. 4. P. 81-86. DOI:https://doi.org/10.34286/1995-4646-2020-73-4-81-86.
8. Programming the technology of cultivating agricultural crops on irrigated lands of the North Caucasus: recommendations / N. A. Kan [et al.]. Rostov-on-Don, 1985. 120 p
9. A. s. No. 1699954 A1 USSR, IPC C02F 3/00, C02F 1/00, C02F 101/30. Surface runoff drainage and purification system / B. N. Repin [et al.]; applicant All-Union Correspondence Engineering and Construction Institute. No. 476188; appl. 24.11.1989; publ. 23.12.1991.
10. Order of the Ministry of Natural Resources of Russia of April 13, 2009 No. 87 "On approval of the Methodology for calculating the amount of damage caused to water bodies as a result of violation of water legislation", entry code https://base.garant.ru/12167365 (accessed on 16.01.2023).
11. Monastyrsky V. A., Babichev A. N., Olgharenko V. I. Determination of the effectiveness of reducing chemical load in growing summer-planted potatoes under irrigation conditions // Land reclamation and hydrotechnics. 2022. Vol. 12, No. 3. P. 44-55. DOI:https://doi.org/10.31774/2712-9357-2022-12-3-44-55.
12. Babichev A. N., Balakay G. T., Monastyrsky V. A. Operational control of irrigation regime in programming crop yield of agricultural crops / Scientific journal of the Russian Research Institute of Reclamation Problems. 2017. No. 3 (27). P. 83-96.
13. Zonal farming systems of the Rostov region for 2022-2026 / A. I. Klimenko [et al.]; Ministry of Agriculture and Food of the Rostov region. Rostov-on-Don, 2022. 736 p.
14. Methodological guidelines for determining water erosion. - Moscow: Kolos, 1975. 35 p.
15. Vadyunina A. F., Korchagina Z. A. Methods of studying the physical properties of soils: textbook. 3rd ed., rev. and add. / Moscow: Agropromizdat, 1986. 416 p.
