УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Цель – исследование выноса биогенных веществ (азота, фосфора и калия) поверхност-ным стоком талых и дождевых вод в зависимости от наличия этих веществ в почве в пе-риод стока. Методы. Двухфакторный полевой опыт закладывался в п. Степной Ростов-ской области на черноземах обыкновенных. Расчетные дозы удобрений вносились на планируемую урожайность кукурузы на зерно по вариантам (фактор А) на урожайность от 6,0 т/га до 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. Сток дождевых вод формиро-вали дождевателями конструкции ЮжНИИГиМ заданной интенсивностью по вариантам (фактор В): от 0,7 до 1,5 мм/мин. Сток талых вод изучался на стоковых площадках 5х20 м, располагали вдоль уклона (2-2,5°), в нижней части которых устраивали лоток для сбора стока. Результаты и обсуждение. Исследования показали, что вынос биогенных веществ с поверхностным стоком зависит от их содержания в почве и интенсивности дождя. В количественном соотношении в жидком стоке из азотных соединений содержалось в большей степени: в талых водах нитратов – 94,4 % (от 0,17 до 8,75 мг/дм3), меньше ионов аммиака – 5,4 % (от 0,09 до 0,51 мг/дм куб.) и нитритов – 0,2 % (от 0,001 до 0,020 мг/дм куб.); в жидком стоке дождевых вод содержится соответственно нитратов – 97,4 % (от 3,13 до 13,72 мг/дм куб.), меньше ионов аммиака – 1,97 % (от 0,05 до 0,34 мг/дм куб.) и нитритов всего – 0,6 % (от 0,001 до 0,13 мг/дм куб.); содержание фосфора в жидком стоке составлял в талых водах от 0,04 до 0,217 мг/дм куб. в дождевых от 0,022 до 0,21 мг/дм куб. и калия, соответственно 15,01-80,64 мг/дм куб. в талых водах и 28,10-124,0 мг/дм куб. в дождевых водах. Выводы. Получены уравнения взаимосвязи позволили раз-работать алгоритм расчета и прогноза выноса биогенных веществ из почвы и рассчиты-вать вред водным ресурсам от поступления массы загрязняющих веществ с жидким сто-ком талых и дождевых вод в поверхностные водные объекты.
поверхностный сток, сток талых вод, сток дождевых вод, биогенные вещества, водные объекты
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. Шевченко Д. А., Балакай Г. Т. Формирование поверхностного стока талых вод с рыхлой пашни на черноземах обыкновенных в условиях Ставропольского края // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2017. № 2(26). С. 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. Гебзе: Гебзенский технический университет, 2022. P. 19-38.DOIhttps://doi.org/10.5772/intechopen.100439.
4. Ницкая С. Г., Сперанский В.С. Формирование поверхностного стока: учеб. пособие.Челябинск, 2009. 38 с.
5. Условия формирования поверхностного стока. Прогноз причиняемого ущерба. Компенсационные мелиоративные мероприятия: монография / В. Н. Щедрин [идр.].Новочеркасск: РосНИИПМ, 2016. 450 с.
6. Кирейчева Л. В., Лентяева Е. А. Влияние сельскохозяйственного производства на загрязнение водных объектов // Природообустройство. 2020. № 5. С. 18-26. DOIhttps://doi.org/10.26897/1997-6011/2020-5-18-27.
7. Кирейчева Л. В., Яшин В. М. Роль мелиорированных земель в диффузном загрязнении речных вод биогенными веществами // Международный технико-экономический журнал. 2020. № 4. С. 81-86. DOI:https://doi.org/10.34286/1995-4646-2020-73-4-81-86.
8. Программирование технологии возделывания сельскохозяйственных культур на орошаемых землях Северного Кавказа: рекомендации / Н. А. Кан [и др.]. Ростов н/Д., 1985. 120 с
9. А. с. № 1699954 A1 СССР, МПК C02F 3/00, C02F 1/00, C02F 101/30. Система отведения и очистки поверхностного стока / Б. Н. Репин [и др.]; заявитель Всесоюзный заочный инженерно-строительный институт. № 476188; заявл. 24.11.1989; опубл. 23.12.1991.
10. Приказ Минприроды России от 13 апреля 2009 г. N 87 "Об утверждении Методики исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства", код входа https://base.garant.ru/12167365 (вход 16.01.2023).
11. Монастырский В. А., Бабичев А. Н., Ольгаренко В. И. Определение эффективности снижения химической нагрузки при выращивании картофеля летней посадки в условиях орошения // Мелиорация и гидротехника. 2022. Т. 12, № 3. С. 44-55. DOI:https://doi.org/10.31774/27129357-2022-12-3-44-55.
12. Бабичев А. Н., Балакай Г. Т., Монастырский В. А. Оперативное управление режимом орошения при программировании урожайности сельскохозяйственных культур / Научныйжурнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2017. № 3 (27). С. 83-96.
13. Зональные системы земледелия Ростовской области на 2022-2026 годы / А. И. Клименко [и др.]; М-во сел. хоз-ва и продовольствия Рост. обл. Ростов н/Д., 2022. 736 с.
14. Методические указания по определению водной эрозии. - М.: Колос, 1975. 35 с.
15. Вадюнина А. Ф., Корчагина З. А. Методы исследования физических свойств почв: учебное пособие. 3-е изд., перераб. и доп. / М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.
