10.3. Сельскохозяйственные источники биогенной нагрузки

Основные гидрологические измене­ния в различных природных комплек­сах произошли в исторически обозри­мом прошлом под влиянием расшире­ния земледельческих площадей, что явилось мощным фактором формирова­ния современного агроландшафта.

В целом все водные бассейны, осо­бенно бассейны крупных рек, — это территории высокой антропогенной на­грузки. На 20 % площади суши нашей планеты проживает 90 % населения и развиваются все наиболее водоемкие отрасли хозяйственной деятельности. Площади водосбора малых водных объектов являются основной террито­риальной базой развития агропромыш­ленного комплекса. Это место прожива­ния 90 % сельского населения Российс­кой Федерации; здесь сформировались природно-аграрные системы, что со­провождалось превращением части ле­сов и степей в поля, пастбища, сеноко­сы, сады, ягодники и плантации, кото­рые функционируют, испытывая воз­действие всех факторов интенси­фикации сельскохозяйственного произ­водства.

В контексте воздействия на водные ресурсы современный аграрный сек­тор — это не только богарное и орошае­мое земледелие, осушительные и обвод­нительные мелиорации, но и стойловое (промышленное) и пастбищное живот­новодство, агротехнические и агрохи­мические приемы земледелия, сфера технического и энергетического обеспе­чения сельскохозяйственного произ­водства, агролесомелиоративные ме­роприятия и т. д. Многие исследователи признают, что интенсивно развивающе­еся сельское хозяйство — это наиболее активный источник поступления био­генных элементов.

215

Вывод Международной комиссии по эвтрофированию водоемов о том, что рассредоточенные источники играют более важную роль в загрязнении вод­ных объектов биогенными элементами, чем городские сточные воды, подтверж­дают результаты, полученные в разных странах. Так, в Швейцарии более 70 % азота и 50 % фосфора поступает в водо­емы с сельскохозяйственных полей; в США обнаружены высокие концентра­ции азота (10 мг/л) в реках, протекаю­щих через аграрные районы; в Герма­нии 54 % азота поступает в водоемы с сельскохозяйственных полей, 24 — с промышленным сбросом и только 22 % — с хозяйственно-бытовыми сто­ками.

За последние 20 лет поступление биогенных веществ с поверхностным стоком в водохранилища Волги и Днеп­ра увеличилось в 2 раза. При этом доля сельхозугодий в поступление общего азота составляет 70 %, минерального фосфора — 36%. Картина преимуще­ственного сельскохозяйственного по­ступления биогенов в водоемы харак­терна для многих крупных водных объектов, поскольку 50 % их водных масс формируется в агроландшафтах стоком малых рек, находящихся в не­посредственной зависимости от состоя­ния агросистем.

Влияние сельского хозяйства как ис­точника поступления биогенных ве­ществ в водные ресурсы возрастает в связи с увеличением распаханности тер­риторий, трансформации угодий мощ­ной техникой и гидромелиорацией, раз­витием процессов химизации на основе как минеральных, так и органических удобрений. Эти факторы вызывают из­менение величины и направленности потоков биогенных элементов в агро-ландшафте. Все процессы трансформа­ции угодий, как целенаправленные, яв­ляющиеся основными производствен­ными действиями (пахота, боронова­ние, окультуривание сенокосов и пастбищ, планировка земель для обра­ботки), так и сопутствующие (послед­ствия движения по сельхозугодьям при посеве, выращивании и уборке урожая, химической обработки полей) способ­ствуют механическому перераспределе­нию вещества в агроландшафте. В этом

заключается принципиальное различие промышленно-урбанизированной и сельскохозяйственной ветвей биоген­ной нагрузки на водные ресурсы. Пер­вая — новая, сугубо антропогенная це­почка поступления биогенов и соответ­ственно требует кардинальных мер по предупреждению сброса сточных вод промышленности, энергетики, транс­портных предприятий и коммунально-бытового хозяйства городов в водные объекты. Во второй (сельскохозяй­ственной) ветви сектор промышленного животноводства имеет аналогичные особенности в связи с нарастанием кон­центрации поголовья и применением интенсивных технологий, а земледель­ческая часть является отдельно рассмат­риваемой системой, поскольку в ней в основном сохраняется механизм при­родной миграции биогенов. Однако трансформация, охватывая значитель­ные по площади территории и разрушая естественную структуру почвенного по­крова, способствует водной и ветровой эрозии, смыву и вымыванию, т. е. миг­рации биогенных веществ. Она стано­вится усилителем нежелательных, эко­логически опасных естественных про­цессов, зависящих от природных факто­ров и особенностей: промывного ре­жима почв, расчлененности рельефа, эрозионности, густоты гидрографичес­кой сети, скорости ветра, интенсивнос­ти снеготаяния, смываемости почв, промерзания почвенного слоя и интен­сивности его оттаивания и др. Кроме того, как было показано ранее, в усло­виях интенсивного развития сельского хозяйства изменяется естественный цикл круговорота питательных веществ, нарушается сложившийся механизм их потоков, что особенно характерно для главных элементов, участвующих в эвт-рофировании, — азота и фосфора.

Основными источниками биогенной нагрузки в пределах аграрных террито­рий являются сельскохозяйственные угодья (пашни, сенокосы, пастбища), объекты животноводства (помещения для содержания скота, отстойники сточных вод, навозохранилища и жи­жесборники), склады минеральных удобрений, сельские населенные пунк­ты и территории садово-огородных то­вариществ, а также естественный расти-

216

тельный покров (леса, луга, болота) и атмосферные осадки (рис. 10.14). Эти источники подразделяются на рассеян­ные (диффузные, или площадные) и то­чечные (сконцентрированные в пределах ограниченного пространства).

Влияние рассеянных и точечных ис­точников биогенной нагрузки агроэко-систем на загрязнение вод определяется следующими показателями: потери биогенных веществ в растениеводстве и животноводстве, их смыв в результате эрозионных процессов, вынос пита­тельных веществ с коммунально-быто­выми стоками сельских населенных

пунктов, а также их поступление в при­родную среду с атмосферными осадка­ми и разложившимся естественным рас­тительным опадом.

Потери биогенных веществ в расте­ниеводстве условно можно разделить на естественные и технологические. Пер­вые в основном зависят от интенсивно­сти распашки территории, приемов земледелия, количества вносимых ми­неральных удобрений и объема по-жнивно-корневых остатков, образую­щихся после уборки урожая культурных растений, а вторые — от различных на­рушений, происходящих во время дос-

Рис. 10.14. Основные источники формирования биогенной нагрузки (Хрисанов, Осипов, 1993)

217

тавки и внесения удобрений на сельско­хозяйственные угодья.

Растениеводство■.— один из значи­мых и сложных элементов агроэкосис-тем и оказывает неординарное воздей­ствие на формирование биогенной на­грузки. Распашка территории, изменяя условия формирования водного стока, способствует активному выносу биоген­ных веществ в природную среду и водо­токи. Распаханные почвы по сравнению с их естественными аналогами обладают совершенно иными водно-физически­ми свойствами. Для них характерны низкая водопроницаемость и значи­тельный поверхностный сток. Интен­сивное развитие процессов физико-ме­ханического выветривания и смыва почвообразующих пород способствует повышению минерализации поверхнос­тных вод. В то же время растения игра­ют значительную роль в сдерживании и снижении смыва и вымывания биоге­нов.

Площадь эрозионно опасных и под­верженных эрозии сельскохозяйствен­ных угодий составляет в России 124 млн га (56 % их общей площади), из них 87,3 млн га — пашни. Ежегодно около 25—30 тыс. га черноземов выво­дится из сферы сельскохозяйственной деятельности в результате роста овра­гов. Объем поверхностного стока талых и дождевых вод с сельскохозяйственных угодий, расположенных на склонах кру­тизной более Г, приближается к 90 млрд м³/год. Этот поток смывает по­чти 1,5 млрд т почвы. Вынос питатель­ных веществ с этой массой почвы вдвое превышает их количество, вносимое с удобрениями. Более 26 млн га (20,4%) пашни России находится на смытых по­чвах. На многих расчлененных террито­риях с черноземными почвами более 50 % распаханных земель эродированы и являются мощным источником по­ступления биогенных веществ в водные объекты.

Дополнительный транспорт биоге­нов может быть связан и с агротехни­ческими приемами. Так, осенняя подго­товка почвы под яровые и пропашные культуры вместо весенней способствует уменьшению поверхностного склоново­го стока ив итоге приводит к сокраще­нию выноса биогенных веществ. Одна-

ко вместе с тем зяблевая вспашка нару­шает противоэрозионную устойчивость почвенного покрова и благоприятствует увеличению выноса биогенов с продук­тами эрозии.

При длительном применении боль­ших доз удобрений вынос биогенных веществ с поверхностным стокомвозра-стает вследствие их накопления в пахот­ном слое почвы. Аналогичная картина наблюдается при внесении удобрений по мерзлой почве и особенно весной по талому снегу. Это подтверждают приве­денные ниже данные по выносу биоген­ных веществ (мг/л) с сельскохозяй­ственных угодий с поверхностным сто­ком при внесении 1 кг действующего вещества на 1 га:

Способ внесения удобрений Азот Фосфор

Осенью под вспашку 0,010 0,0013

Осенью поверхностно 0,085 0,0310

Осенью поверхностного 0^216 0,0510 мерзлой почве

Весной по талому снегу 0,866 0,5940

Рис. 10.15. Вынос общего фосфора в зависимости от твердого стока (Хрисанов, Осипов, 1993)

Эрозия почв, стимулируя вынос био­генных веществ с водосбора, активно влияет на биогенное загрязнение вод, й первую очередь фосфором. Вспашка, особенно зяблевая, приводит \ к тому^ что потери фосфора с твердым стоком становятся преобладающими й достига­ют более 90 % его общих потерь. При этом характерно, что вынос фосфора со смытой почвой пропорционален смыву. Масштабы влияния эрозионных про­цессов на биогенное загрязнение вод очень велики. Например, с каждой тон­ной твердого стока с 1 га сельскохозяй­ственных угодий выносится около 1 кг общего фосфора (рис. 10.15).

218

Территориальные особенности смы­ва биогенов хорошо прослеживаются при рассмотрении условий поверхност­ного смыва дождевыми водами. В этой связи на территории Нечерноземной зоны России выделяют три пояса: сла­бого смыва (характеризуется модулем смыва менее 0,1 т/га), умеренного (от 0,1 до 1,0 т/га) и интенсивного (более 1,0 т/га). Водоемы Нечерноземья нахо­дятся в условиях интенсивного эвтро-фирования из-за эрозионного разруше­ния почв.

Промывной тип водного . режима, при котором количество выпадающих осадков превышает количество испаря­емой из почвы влаги, является важным фактором вымывания элементов из по­чвы. Чем больше воды просачивается через корнеобитаемый слой почвы, тем выше потери растениями элементов ли­тания и тем большее их количество по­падает в подземные воды. Инфильтра­цию атмосферных осадков в связи с процессом усиления биогенной нагруз­ки исследуют в различных условиях, что позволяет выявить факторы снижения интенсивности данного процесса.

В центральной части Нечерноземья в среднем выпадает около 670 мм осад­ков, что формирует примерно 60-мил­лиметровый слой почвенного стока. В таких условиях осадки в виде гравита­ционной влаги могут проникать в почву вплоть до грунтовых вод. Йросачива-ние, а следовательно, и вымывание эле­ментов зависят от многих факторов: времени года, количества осадков, их интенсивности и вида, температуры воздуха и почвы, свойств почвы, вида растений, их урожайности и степени обеспеченности удобрениями.

Наибольшее количество инфильтра-ционных вод образуется в ранневесен-ний период, когда насыщенность почвы влагой превышает полную полевую вла-гоемкость. Аналогичная ситуация скла­дывается в осенне-зимний период, ког­да почва свободна от растительности. В поздневесенний и летний периоды ос­новная масса выпадающих осадков рас­ходуется на трансцирацию и образова­ние фитомассы. Эта закономерность ат-мосферно-почвенно-водных процессов, как и использование противоэрозион-ной роли растений, является основопо-

лагающей при обосновании агрохими­ческих приемов.

Четкая связь между устойчивостью агроэкоеистем и состоянием водных ре­сурсов выявляется и при рассмотрении инфильтрационных процессов: количе­ство просачивающейся воды меняется в зависимости от гранулометрического состава почвы, что обусловлено разли­чиями во влагоемкости и водоудержива-ющей способности. Чем выше плодоро­дие почвы и содержание в ней гумуса, тем больше ее гигроскопичность, а сле­довательно, и такие показатели, как влагоемкость и водоудерживающая спо­собность. В то же время обеспеченность растений биогенами и влагой в наибо­лее критические фазы развития способ­ствует максимальному усвоению пита­тельных веществ и снижению их вымы­вания, т.е. состояние растений играет достаточно важную роль в развитии процессов смыва и вымывания. Резуль­таты проведенных исследований свиде­тельствуют о том, что важную роль в развитии этих процессов играет также совершенствование посевных площадей путем введения травосеяния, использо­вания промежуточных и пожнивных культур и т. д. Пожнивные посевы в се­вообороте уменьшают вымывание азота на 50 %, фосфора ~»на 30 %; на площа­дях, занятых под многолетние травы, потери азота снижаются на 30—40 %.

В условиях использования интенсив­ных технологий в растениеводстве сни­жение вымывания достигается комп­лексом мероприятий, включающих, в частности/оптимальное внесение удоб­рений в периоды активного потребле­ния биогенов растениями, применение слаборастворимых, медленнодействую­щих видов минеральных удобрений, ис­пользование таких их форм, которые не содержат несорбируемых почвой ионов, применение ингибиторов нитрифика­ции, соблюдение нормативов по дозам и способам внесения удобрений, осо­бенно жидких органических, и т. д.

Благодаря многочисленным иссле­дованиям установлены числовые значе­ния средних ежегодных выносов биоге­нов в водные источники для различных типов почв. Дерново-подзолистые и се­рые лесные'пахотные почвы характери­зуются следующими средними значени-

ями вымывания (кг/га в год): N—N0. — 10...30, Са-140...180, Mg-25...40, К-10...20, Р₂О₅-0,4...1,0, S-SO,-40...60. В этих показателях отражается воздействие как естественных, так и ан­тропогенных циклов круговорота ве­ществ, в основном регионального ха­рактера, но с определенным наложени­ем глобального из-за поступления био­генов с атмосферными выпадениями (сухое осаждение, дожди или снегопа­ды).

Наряду с растениеводством немало­важным источником биогенного загряз­нения вод является! животноводство. Степень его воздействия на водные объекты в каждом конкретном регионе определяется общим поголовьем скота, особенностями расположения животно­водческих ферм и комплексов на водо­сборах, а также принятой в хозяйствах технологией содержания животных.

На значительной части территории России ббльшую часть года скот нахо­дится в стойлах. Лишь в поздневесен-ний и летний периоды животных пере­водят на пастбища. Поступление загряз­няющих веществ в водотоки с животно­водческих ферм и комплексов зависит от способа удаления навоза. Оно проис­ходит при прямом смыве сточных вод после очистки, а также в результате по­терь, возникающих в процессе утилиза­ции отходов животноводства.

При стойловом содержании скота накапливаются большие массы навоза. Из-за его несовершенной утилизации в водные системы выносятся немалые ко­личества грубодисперсной малоразло-жившейся органики и биогенных ве­ществ. По оценкам некоторых специа­листов, потери органических отходов на фермах и комплексах составляют в среднем 20—40 % их объема. При выпа­се скота на пастбищах также происхо­дит вынос биогенных веществ в водото­ки, поскольку пастбищные угодья чаще всего размещают в речных долинах. Влияние животноводства на биогенное загрязнение вод обусловлено и тем, что фермы и комплексы располагаются преимущественно в непосредственной близости от рек и озер. Поскольку про­должительность миграционного пути биогенов от их источников до водных объектов невелика, они не успевают

закрепиться в почве и их концентрация остается высокой. Управление движе­нием биогенных веществ от источников их образования на основе рециклиза-ции является экологически обоснован­ным и экономически оправданным, по­скольку способствует решению пробле­мы повышения продуктивности агро-экосистем (табл. 10.3, см. рис. 10.16).

10,3. Содержание Сотенных веществ в отоддо животноводства, г/сут на 1 голову

Вид скота	Азот	Фосфор	Калий
КРС Свиньи	180 38	87 16	190 50

Кроме того, на всех стадиях произ­водства растениеводческой и животно­водческой продукции происходят поте­ри биогенных веществ, обусловленные различными нарушениями используе­мых технологий (технологические поте­ри), что существенно увеличивает вы­нос биогенов в водотоки. В ряду факто­ров, способствующих увеличению по­терь биогенов, уместно отметить следующие:

отсутствие или недостаточная ем­кость специальных навозохранилищ и жижесборников при фермах и комплек­сах, что приводит к необходимости час­того вывоза навоза на поля, однако из-за нехватки транспорта это, как прави­ло, не осуществляется;

размещение ферм и комплексов в не­посредственной близости от уреза воды, что приводит к прямому выносу биоген­ных веществ в водотоки;

вывоз навоза на поля в зимний пери­од (по снегу), что в условиях снеготая­ния способствует интенсивному смыву биогенных веществ талыми водами;

несвоевременная перепашка выве­зенных на поля удобрений, что вызыва­ет миграцию биогенных веществ по во­досбору и их смыв поверхностным сто­ком в ближайшие водотоки;

несовершенная технология компос­тирования и хранения навоза, что вызы­вает миграцию биогенных веществ по рельефу местности;

доставка удобрений на поля на нео­борудованной для этой цели технике, что приводит к их потерям по дороге от хранилищ к угодьям;

отсутствие подготовленных складов

220

Рис. 10.16. Процесс рециклизации биогенов в агроландшафте (Небел, 1993)

для минеральных удобрений, что вызы­вает их потери во время хранения.

Наряду с перечисленными фактора­ми на уровень технологических потерь влияют и физико-географические усло­вия местности, причем их значение для различных природных зон, районов и хозяйств варьирует в широких пределах (рис. 10.17 и 10.18).

Большое влияние на процессы био­генного загрязнения вод оказывают се­литебные территории. Хозяйственно-бытовые стоки сельских населенных пунктов могут выносить до 0,355 кг азота и 0,277 кг фосфора (на одного че­ловека в год). Кроме того, с застроен­ных территорий дополнительно может смываться около 6,0 кг/га азота и 3,0 кг/га фосфора в год.

Сельские населенные пункты в ос­новном не обеспечены очистными со­оружениями. Кроме того, в последние годы естественные участки агроланд-шафтов (малопродуктивные, неудобные земли) интенсивно осваиваются городс­кими жителями. Во всех пригородных зонах больших и малых городов (в ради­усе до 200 км и более) расширяются плотно застроенные дачные городки. И хотя они функционируют главным об­разом в теплый период года, изменения, вызываемые ими, наблюдаются даже без специальных исследований. Наряду с положительными эффектами облагора­живания малопродуктивных участков из-за низкого уровня экологической культуры год от года, к сожалению, уве­личивается захламлеллость лесных и пойменных земель бытовыми и строи­тельными отходами. Необходима науч­но обоснованная оценка изменений (нарушений) естественного круговорота веществ в связи с периодической мигра­цией городских жителей и возникнове­нием, докогошхельиьзд факторов воз­действия на агроландшафты. Подтверж­дением сказанному могут служить име­ющиеся оценки суточной массы загрязнений, приходящейся на одного человека (г/сут):

Показатели	Количество
Взвешенные вещества Азот аммонийных солей Калий (ICO) Фосфор (Р205)	65,0 8,0 3,0 3,3

Хлориды Поверхностно-активные	9,0 2,5
вещества БПКП0ЛН БПК5	75,0 54,0

В селах в отличие от городов сохра­няются некоторые условия для закреп­ления биогенных элементов и хозяй­ственно-бытовых отходов почвами при­усадебных и дачных участков. Однако нельзя не учитывать поступления био­генов с общей застроенной территории в период дождей и снеготаяния (табл. 10.4).