
- •Тема 6. Біогенне забруднення вод в умовах інтенсифікації аграрного виробництва
- •1. Приток поживних речовин як чинник зміни
- •2. Екологічні і санітарно-гігієнічні наслідки евтрофування вод
- •Значення гдк біогенних речовин, мг/л (в.А. Черніков, 2000)
- •3. Сільськогосподарські джерела біогенного навантаження
- •Імовірнісне винесення біогенних речовин у водоймища з заселених територій агроландшафту (в.А. Черніков, 2000)
- •Кількість азоту і фосфору, що поступає в водні об’єкти з лісового рослинного опаду (в.А. Черніков, 2000)
- •Коефіцієнти поверхневого стоку залежно від виду угідь і гранулометричного стану грунтів (в.А. Черніков, 2000)
- •Середньорічна концентрація фосфору на водозборах з неоднаковим розподілом лісової рослинності (в.А. Черніков, 2000)
- •4 Зниження біогенного навантаження з допомогою
3. Сільськогосподарські джерела біогенного навантаження
Основні гідрологічні зміни в різних природних комплексах відбулися в історично осяжному минулому під впливом розширення землеробських площ, що з'явилося могутнім чинником формування сучасного агроландшафту.
В цілому всі водні басейни, особливо басейни крупних річок, – це території високого антропогенного навантаження. На 20% площі суші нашої планети проживає 90% населення і розвиваються всі найбільш водоємні галузі господарської діяльності. Площі водозбору малих водних об'єктів є основною територіальною базою розвитку агропромислового комплексу. Це місце мешкання 90% сільського населення України; тут сформувалися природно-аграрні системи, що супроводжувалося перетворенням частини лісів і степів в поля, пасовища, сінокоси, сади, ягідники і плантації, які функціонують, випробовуючи дію всіх чинників інтенсифікації сільськогосподарського виробництва.
У контексті дії на водні ресурси сучасний аграрний сектор – це не тільки богарне і зрошуване землеробство, осушні і обводнювальні меліорації, але і стійлове (промислове) і пасовищне тваринництво, агротехнічні і агрохімічні прийоми землеробства, сфера технічного і енергетичного забезпечення сільськогосподарського виробництва, агролісомеліоративні заходи і т.д. Багато хто з дослідників визнають, що сільське господарство, що інтенсивно розвивається, – це найбільш активне джерело надходження біогенних елементів.
Висновок Міжнародної комісії по евтрофуванню водоймищ про те, що розосереджені джерела грають важливішу роль в забрудненні водних об'єктів біогенними елементами, ніж міські стічні води, підтверджують результати, одержані в різних країнах. Так, в Швейцарії більше 70% азоту і 50% фосфору поступає у водоймища з сільськогосподарських полів; у США виявлені високі концентрації азоту (10 мг/л) в річках, що протікають через аграрні райони; у Німеччині 54% азоту поступає у водоймища з сільськогосподарських полів, 24 – з промисловим скиданням і лише 22% – з господарчо-побутовими стоками.
За останні 20 років надходження біогенних речовин з поверхневим стоком у водосховища Волги і Дніпра збільшилося в 2 рази. При цьому частка сільгоспугідь в надходження загального азоту складає 70%, мінерального фосфору – 36%. Картина переважного сільськогосподарського надходження біогенів у водоймища характерна для багатьох крупних водних об'єктів, оскільки 50% їх водних мас формується в агроландшафтах стоком малих річок, що знаходяться в безпосередній залежності від стану агросистем.
Вплив сільського господарства як джерела надходження біогенних речовин у водні ресурси зростає у зв'язку із збільшенням розораності територій, трансформації угідь могутньою технікою і гідромеліорацією, розвитком процесів хімізації на основі як мінеральних, так і органічних добрив. Ці чинники викликають зміну величини і спрямованості потоків біогенних елементів в агро-ландшафті. Всі процеси трансформації угідь, як цілеспрямовані, як такі, що є основними виробничими операціями (оранка, боронування, окультурення сінокосів і пасовищ, планування земель для обробки), так і супутні (наслідки руху по сільгоспугіддях при посіві, вирощуванні і збиранні врожаю, хімічної обробки полів) сприяють механічному перерозподілу речовини в агроландшафті. У цьому полягає принципова відмінність промислово-урбанізованої і сільськогосподарської гілок біогенного навантаження на водні ресурси. Перша – новий, суто антропогенний ланцюжок надходження біогенів і відповідно вимагає кардинальних заходів по попередженню скидання стічних вод промисловості, енергетики, транспортних підприємств і комунально-побутового господарства міст у водні об'єкти. У другій (сільськогосподарській) гілці сектор промислового тваринництва має аналогічні особливості у зв'язку з наростанням концентрації поголів'я і застосуванням інтенсивних технологій, а землеробська частина є окремо даною системою, оскільки в ній в основному зберігається механізм природної міграції біогенів. Проте трансформація, охоплюючи значні за площею території і руйнуючи природну структуру грунтового покриву, сприяє водній і вітровій ерозії, змиву і вимиванню, тобто міграції біогенних речовин. Вона стає підсилювачем небажаних, екологічно небезпечних природних процесів, залежних від природних чинників і особливостей: промивного режиму грунтів, розчленованої рельєфу, ерозійності, густоти гідрографічної мережі, швидкості вітру, інтенсивності сніготанення, змиваності грунтів, промерзання грунтового шару і інтенсивності його відтавання і ін. Крім того, як було показано раніше, в умовах інтенсивного розвитку сільського господарства змінюється природний цикл круговороту поживних речовин, порушується механізм їхніх потоків, який склався, що особливо характерно для головних елементів, що беруть участь в евтрофуванні, – азоту і фосфору.
Основними джерелами біогенного навантаження в межах аграрних територій є сільськогосподарські угіддя (рілля, сінокоси, пасовища), об'єкти тваринництва (приміщення для утримання худоби, відстійники стічних вод, гноєсховища), склади мінеральних добрив, сільські населені пункти і території садово-городніх товариств, а також природний рослинний покрив (ліси, луги, болота) і атмосферні опади. Ці джерела підрозділяються на розсіяні (дифузні, або площадкові) і точкові (сконцентровані в межах обмеженого простору).
Вплив розсіяних і точкових джерел біогенного навантаження агроекосистем на забруднення вод визначається наступними показниками:
втрати біогенних речовин в рослинництві і тваринництві,
їх змив в результаті ерозійних процесів,
винесення поживних речовин з комунально-побутовими стоками сільських населених пунктів, а також
їх надходження в природне середовище з атмосферними опадами і природним рослинним опадом, що розклався.
Втрати біогенних речовин в рослинництві умовно можна розділити на природні і технологічні. Перші в основному залежать від інтенсивності відкриття території, прийомів землеробства, кількості мінеральних добрив, що вносяться, і об'єму пожнивно-кореневих залишків, що утворюються після збирання врожаю культурних рослин, а другі – від різних порушень, що відбуваються під час доставки і внесення добрив на сільськогосподарські угіддя.
Рослинництво – один із значущих і складних елементів агроекосистем і чинить неординарний вплив на формування біогенного навантаження. Розорювання території, змінюючи умови формування водного стоку, сприяє активному винесенню біогенних речовин в природне середовище і водотоки. Розорані ґрунти порівняно з їхніми природними аналогами володіють абсолютно іншими водно-фізичними властивостями. Для них характерні низька водопроникність і значний поверхневий стік. Інтенсивний розвиток процесів фізико-механічного вивітрювання і змиву ґрунтотворних порід сприяє підвищенню мінералізації поверхневих вод. У той же час рослини грають значну роль в забороні і зниженні змиву і вимивання біогенів.
Надмірна розорюваність територій та величезний антропогенної діяльності призвели до порушення природного процесу грунтоутворення та ерозійних процесів. Наприкінці ХІХ ст.. вміст гумусу в чорноземах на півдні України становив 8-12%, а в деяких місцях – 16%. Нині його вміст знизився до 4-6% і навіть менше. Погіршення якості грунтів призводить до різкого зменшення врожайності польових культур та різних захворювань рослин, тварин і людей. За період 1986-1996 рр. площа орних земель в Україні скоротилася на 24,8 тис. га. Площа орної землі, яка припадає на одного мешканця України, за останні три десятиріччя скоротилася майже на 20%. Особливо гостро стоїть проблема охорони та раціонального використання земель у густонаселеному західному регіоні ( Рівненська, Чернівецька, львівська і Закарпатська області), де на душу населення припадає лише 0,55-0,16 га орної землі.
Додатковий транспорт біогенів може бути пов'язаний і з агротехнічними прийомами. Так, осіння підготовка грунту під ярові і просапні культури замість весняної сприяє зменшенню поверхневого стоку схилу і у результаті приводить до скорочення винесення біогенних речовин. Проте разом з тим зяблева оранка порушує протиерозійну стійкість грунтового покриву і сприяє збільшенню винесення біогенів з продуктами ерозії.
При тривалому застосуванні великих доз добрив винесення біогенних речовин з поверхневим стоком зростає унаслідок їхнього накопичення в орному шарі грунту. Аналогічна картина спостерігається при внесенні добрив по мерзлому грунту і особливо весною по талому снігу. Це підтверджують приведені нижче дані по винесенню біогенних речовин (мг/л) з сільськогосподарських угідь з поверхневим стоком при внесенні 1 кг діючої речовини на 1 га (В.А. Черніков, 2000р.):
Спосіб внесення добрив |
Азот |
Фосфор |
Восени під оранку |
0,010 |
0,0013 |
Восени поверхнево |
0,085 |
0,0310 |
Восени поверхнево по мерзлому грунту |
0,216 |
0,0510 |
Весною по талому снігу |
0,866 |
0,5940 |
Ерозія грунтів, стимулюючи винесення біогенних речовин з водозбору, активно впливає на біогенне забруднення вод, в першу чергу фосфором. Оранка, особливо зяблева, призводить до того, що втрати фосфору з твердим стоком стають переважаючими і досягають більше 90% його загальних втрат. При цьому характерно, що винесення фосфору із змитим ґрунтом пропорційне змиву. Масштаби впливу ерозійних процесів на біогенне забруднення вод дуже великі. Наприклад, з кожною тонною твердого стоку з 1 га сільськогосподарських угідь виноситься близько 1 кг загального фосфору.
Промивний тип водного режиму, при якому кількість випадних опадів, що випадає перевищує кількість випаровуваної з грунту вологи, є важливим чинником вимивання елементів з грунту. Чим більше води просочується через кореневмісний шар грунту, тим вищі втрати рослинами елементів живлення і тим більша їхня кількість потрапляє в підземні води. Інфільтрацію атмосферних опадів у зв'язку з процесом посилення біогенного навантаження досліджують в різних умовах, що дозволяє виявити чинники зниження інтенсивності даного процесу.
На Поліссі в середньому випадає близько 670 (?) мм опадів, що формує приблизно 60-міліметровий шар грунтового стоку. У таких умовах опади у вигляді гравітаційної вологи можуть проникати в грунт аж до грунтових вод. Просочування, а отже, і вимивання елементів залежать від багатьох чинників:
пори року,
кількості опадів,
їхньої інтенсивності і вигляду,
температури повітря і грунту,
властивостей грунту,
виду рослин,
їхньої врожайності і
ступеня забезпеченості добривами.
Найбільша кількість інфільтраційних вод утворюється в ранньовесняний період, коли насиченість грунту вологою перевищує повну польову вологоємкість. Аналогічна ситуація складається в осінньо-зимовий період, коли грунт вільний від рослинності. У пізньовесняний і літній періоди основна маса опадів витрачається на транспірацію і утворення фітомаси. Ця закономірність атмосферно-грунтово-водних процесів, як і використання протиерозійної ролі рослин, є основоположною при обґрунтуванні агрохімічних прийомів.
Чіткий зв'язок між стійкістю агроекосистем і станом водних ресурсів виявляється і при розгляді інфільтраційних процесів: кількість води, що просочується, міняється залежно від гранулометричного складу грунту, що обумовлено відмінностями у вологоємкості і водоутримуючій здатності. Чим вище родючість ґрунту і вміст в ньому гумусу, тим більша його гігроскопічність, а отже, і такі показники, як вологоємкість і водоутримуюча здатність. В той же час забезпеченість рослин біогенами і вологою в найбільш критичні фази розвитку сприяє максимальному засвоєнню поживних речовин і зниженню їхнього вимивання, тобто стан рослин грає достатньо важливу роль в розвитку процесів змиву і вимивання. Результати проведених досліджень свідчать про те, що важливу роль в розвитку цих процесів грає також вдосконалення посівних площ шляхом введення травосіяння, використання проміжних і пожнивних культур і т.д. Пожнивні посіви в сівозміні зменшують вимивання азоту на 50%, фосфору – на 30%; на площах, зайнятих під багаторічні трави, втрати азоту знижуються на 30 – 40%.
В умовах використання інтенсивних технологій в рослинництві зниження вимивання досягається комплексом заходів, що включають, зокрема,
– оптимальне внесення добрив в періоди активного споживання біогенів рослинами,
застосування слаборозчинних, повільнодіючих видів мінеральних добрив,
використання таких їхніх форм, які не містять несорбованих ґрунтом іонів,
застосування інгібіторів нітрифікації,
дотримання нормативів по дозах і способах внесення добрив, особливо рідких органічних, і т.д.
Завдяки численним дослідженням встановлені числові значення середніх щорічних виносів біогенів у водні джерела для різних типів грунтів. Дерново-підзолисті і сірі лісові орні ґрунти характеризуються наступними середніми значеннями вимивання (кг/га в рік):
N – N03 – 10...30,
Са – 140...180,
Мg – 25...40,
К – 10...20,
Р2О5 – 0,4...1,0,
S – SO4 – 40...60.
У цих показниках відображається дія як природних, так і антропогенних циклів круговороту речовин, в основному регіонального характеру, але з певним накладенням глобального через надходження біогенів з атмосферними випаданнями (сухе осадження, дощі або снігопади).
Разом з рослинництвом важливим джерелом біогенного забруднення вод є тваринництво. Ступінь його дії на водні об'єкти в кожному конкретному регіоні визначається загальним поголів'ям худоби, особливостями розташування тваринницьких ферм і комплексів на водозборах, а також прийнятою в господарствах технологією утримання тварин.
На значній частині території України велику частину року худоба знаходиться в стійлах. Лише в пізньовесняний і літній періоди тварин переводять на пасовища. Надходження забруднюючих речовин у водотоки з тваринницьких ферм і комплексів залежить від способу видалення гною. Воно відбувається при прямому змиві стічних вод після очищення, а також в результаті втрат, що виникають в процесі утилізації відходів тваринництва.
При стійловому утриманні худоби накопичуються великі маси гною. Через його недосконалу утилізацію у водні системи виносяться чималі кількості грубодисперсної органіки, що мало розклалася, і біогенних речовин. За оцінками деяких фахівців, втрати органічних відходів на фермах і комплексах складають в середньому 20 – 40% їхнього об'єму. При випасі худоби на пасовищах також відбувається винесення біогенних речовин у водотоки, оскільки пасовищні угіддя найчастіше розміщують в річкових долинах. Вплив тваринництва на біогенне забруднення вод обумовлений і тим, що ферми і комплекси розташовуються переважно в безпосередній близькості від річок і озер. Оскільки тривалість міграційного шляху біогенів від їхніх джерел до водних об'єктів невелика, вони не встигають закріпитися в грунті і їхня концентрація залишається високою. Управління рухом біогенних речовин від джерел їхнього утворення на основі рециклізації є екологічно обґрунтованим і економічно виправданим, оскільки сприяє вирішенню проблеми підвищення продуктивності агроекосистем (табл. 10.3, див. мал. 10.16).
Вид худоби |
Азот |
Фосфор |
Калій |
ВРХ |
180 |
87 |
190 |
Свині |
38 |
16 |
50 |
Крім того, на всіх стадіях виробництва рослинницької і тваринницької продукції відбуваються втрати біогенних речовин, обумовлені різними порушеннями використовуваних технологій (технологічні втрати), що істотно збільшує винесення біогенів у водотоки. У ряді чинників, сприяючих збільшенню втрат біогенів, доречно відзначити наступні:
– відсутність або недостатня місткість спеціальних гноєсховищ і сховищ рідкого гною при фермах і комплексах, що приводить до необхідності частого вивозу гною на поля, проте через брак транспорту це, як правило, не здійснюється;
– розміщення ферм і комплексів в безпосередній близькості від урізання води, що приводить до прямого винесення біогенних речовин у водотоки;
– вивіз гною на поля в зимовий період (по снігу), що в умовах сніготанення сприяє інтенсивному змиву біогенних речовин талими водами;
– невчасне переорювання вивезених на поля добрив, що викликає міграцію біогенних речовин по водозбору і їхній змив поверхневим стоком в найближчі водотоки;
– недосконала технологія компостування і зберігання гною, що викликає міграцію біогенних речовин по рельєфу місцевості;
– доставка добрив на поля на необладнаній для цієї мети техніці, що приводить до їх втрат по дорозі від сховищ до угідь;
– відсутність підготовлених складів для мінеральних добрив, що викликає їх втрати під час зберігання.
Разом з перерахованими чинниками на рівень технологічних втрат впливають і фізико-географічні умови місцевості, причому їхнє значення для різних природних зон, районів і господарств варіює в широких межах.
Великий вплив на процеси біогенного забруднення вод роблять території населених пунктів. Господарчо-побутові стоки сільських населених пунктів можуть виносити до 0,355 кг азоту і 0,277 кг фосфору (на одну людину в рік). Крім того, із забудованих територій додатково може змиватися близько 6,0 кг/га азоту і 3,0 кг/га фосфору в рік.
Сільські населені пункти в основному не забезпечені очисними спорудами. Крім того, останніми роками природні ділянки агроландшафтів (малопродуктивні, незручні землі) інтенсивно освоюються міськими жителями. У всіх приміських зонах великих і малих міст (у радіусі до 200 км і більше) розширюються щільно забудовані дачні містечка. І хоча вони функціонують головним чином в теплий період року, зміни, що викликаються ними, спостерігаються навіть без спеціальних досліджень. Разом з позитивними ефектами облагороджування малопродуктивних ділянок через низький рівень екологічної культури рік від року, на жаль, збільшується засміченість лісових і заплавних земель побутовими і будівельними відходами. Необхідна науково обґрунтована оцінка змін (порушень) природного круговороту речовин у зв'язку з періодичною міграцією міських жителів і виникненням додаткових чинників дії на агроландшафти.
У селах на відміну від міст зберігаються деякі умови для закріплення біогенних елементів і господарчо-побутових відходів ґрунтами присадибних і дачних ділянок. Проте не можна не враховувати надходження біогенів із загальної забудованої території в період дощів і сніготанення (табл.).