Modeling and Forecasting the Removal of Biogenic Elements from Agricultural Lands Depending on the Soil Agrophysical Properties

Толық мәтін

Введение

Снижение выбросов азота и фосфора неразрывно связано с разработкой и освоением методов и средств определения и оценки количества поступления данных биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий в водные объекты. Основными источниками выноса загрязняющих веществ являются пашни, сенокосы, пастбища, залежи, земли, занятые многолетними насаждениями, фермы и коммунально-бытовые отходы из населенных пунктов.

Вопросы выноса биогенных элементов из животноводческих ферм и комплексов, а также проблема рационального и экологически безопасного размещения ферм достаточно хорошо изучены в работах отечественных ученых¹. Ими подробно рассмотрены процессы формирования и динамики биогенной нагрузки на водные объекты, обоснованы подходы к изучению проблемы. По результатам исследований учеными разработаны методики оценки биогенной нагрузки, сформировавшейся под влиянием природных и антропогенных факторов, практические рекомендации по оптимальному проектированию животноводческих ферм и комплексов, систем мониторинга и управления по удалению, хранению и подготовке к использованию навоза.

Существующие классические методики в целом позволяют определить утечку азота и фосфора с площадок складирования минеральных и органических удобрений и по статистической информации для каждого административного района водосбора установить поголовье животных, рассчитать выход навоза, содержание и выход азота и фосфора с отходами, рассчитать вынос биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий в гидрографическую сеть с учетом экспликации угодий и урожайности сельскохозяйственных культур.

Возросший повсеместный интерес к обеспечению экологической безопасности технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции требует совершенствования существующих методов поиска новых подходов и технико-технологических решений, обеспечивающих снижение выноса биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий.

Цель исследования – моделирование и прогнозирование выноса биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий в зависимости от агрофизических свойств почвы.

Обзор литературы

Одной из актуальных проблем современной науки является обеспечение экологической безопасности технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции. Во всех зонах земледелия наибольшую значимость приобрели вопросы снижения или предотвращения выноса биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий. Вместе с тем учеными более подробно изучены вопросы выноса азота, фосфора и калия растениями и их содержание в культурных и сорных растениях [1‒3].

Учеными исследованы особенности влияния режимов минерального питания на урожай и вынос элементов питания маточной сахарной свеклы, выращиваемой методом штеклингов на орошении в зоне неустойчивого увлажнения [4]. Представлены результаты изучения влияния минеральных удобрений, последействия навоза и совместного их влияния на урожайность и качество зерна озимой пшеницы [5]. Описаны результаты опыта по влиянию различных доз минерального питания на динамику содержания общего азота, фосфора и калия в пахотном слое (0‒20 см) серой лесной тяжелосуглинистой почвы в условиях юга Центрального Нечерноземья [6]. Выполнена оценка массы переносимых трансграничными реками бассейна Западной Двины (рр. Западная Двина, Каспля, Свольня, Усвяча, Уща) валового азота и валового фосфора на территорию Республики Беларусь [7]. Выявлено, что межгодовые изменения массы выноса определяются преимущественно объемом речного стока. Это позволило оценить вынос валового азота и фосфора в годы различной водности с использованием данных о средних за 2011–2016 гг. концентрациях биогенных элементов.

Авторами работ дана общая оценка поступления в окружающую среду отходов животноводческого производства и внесения органических и минеральных удобрений на исследуемой территории [8]. Выявлено, что в пунктах отбора проб воды складывается умеренно напряженная экологическая ситуация в связи с периодическим сверхнормативным поступлением биогенных загрязняющих веществ в исследуемые водные объекты. Разработана методика определения биогенной нагрузки сельскохозяйственного производства на водные объекты [9], которая призвана решить первостепенную задачу определения роли различных источников (таких как поверхностный сток, эрозия, грунтовые, почвенные, дренажные воды, осаждение из атмосферы) в процессе поступления биогенных веществ с российской части водосборного бассейна Балтийского моря. Дана оценка поступления азота и фосфора в водные объекты с сельскохозяйственных угодий [10] в пределах частного водосборного бассейна реки Нарвы в период с 2006 по 2018 г. Дан анализ причины загрязнения Нытвенского водохранилища биогенными веществами, приводящими в условиях замедленного водообмена к его эвтрофикации. Авторами научных работ рассмотрены основные источники загрязнения водных экосистем [11], приведены примеры факторов негативного влияния на водные объекты. Установлено, что рассредоточенный сток с сельскохозяйственных территорий оказывает негативное воздействие на поверхностные водные объекты, увеличивая содержание в их водах биогенных веществ². При изучении гидроэкологического состояния водных экосистем установлено [12], что увеличение объемов хозяйственной деятельности близ водных объектов обусловливает ухудшение их гидрохимических характеристик, изменение которых можно рассматривать в качестве основного индикатора негативного влияния на водную среду. В литературных источниках приведены результаты мониторингового исследования влияния сельскохозяйственного использования на содержание общего углерода, азота и фосфора в верхних горизонтах почв разного генезиса [13]. Выявлено, что проблема эвтрофирования водных объектов является одной из наиболее серьезных как на глобальном, так и на региональном уровнях [14]. Ключевым фактором эвтрофикации в Беларуси, по многолетним данным мониторинга, является содержание в воде соединений фосфора. В работе Бутько А. А. и Родькина О. И. [15] представлены результаты мониторинга гидрохимического состава вод малой реки Приморской, дана характеристика качества воды, рассчитан вынос минеральных форм азота и фосфора со стоком реки в Калининградский залив Балтийского моря в 2021–2022 гг. Дана оценка возможного снижения выноса биогенных элементов с водосборов притоков Куйбышевского водохранилища за счет внедрения наилучших доступных технологий сельскохозяйственного производства³. Выявлено, что количество внесенных в почву азота и фосфора в составе минеральных и органических удобрений для большинства административных районов изучаемого региона ниже потребности растительных культур в биогенных элементах. Это приводит к постепенному обеднению почв питательными веществами и снижению риска миграции этих элементов в водные объекты [16].

Учеными предложен макрорегиональный метод для интегрированного управления и контроля выбросов азота и фосфора в результате антропогенного воздействия на окружающую среду, раскрывающий перспективы снижения биогенной нагрузки на водные объекты [17].

Рассмотрены методы и средства извлечения азота и фосфора из сточных вод [18], предложены эффективные способы удаления питательных веществ из сточных вод [19], методы биологического удаления азота из сточных вод [20].

На основе анализа литературных источников и экспертной оценки в качестве основных и наиболее значимых показателей оценки выноса биогенных элементов в водные объекты были установлены: количество внесенных удобрений (азота и фосфора) в почву при возделывании сельскохозяйственных культур, объем влаги, полная влагоемкость почвы, площадь поля, глубина обработки.

Материалы и методы

При проведении исследований использовались известные методы моделирования и методика расчета выноса биогенных веществ в водоемы с сельскохозяйственных объектов (с опорой на имеющийся минимально необходимый объем исходной информации) для прогноза эвтрофикации водных объектов, а также агрохимические методики, учитывающие структуру и размеры полевых и сельскохозяйственных площадей, урожайность культур, вынос биогенных элементов с урожаем.

Расчеты по определению возможного количества выноса биогенных элементов с пашни площадью 1 га при выпадении осадков 50 мм (или 500 м³/га) в час и различных значениях глубины обработки почвы (5, 20 и 30 см) произведены на основе статистических данных, собраных в Северо-Западной части России.

Исследования проводились в четыре этапа:

• ‒ первый включал в себя анализ исследований по вопросу выноса азота и фосфора с сельскохозяйственных угодий;
• ‒ на втором этапе исследований были установлены наиболее весомые показатели, влияющие на количество выноса азота и фосфора;
• ‒ третий предусматривал моделирование процесса выноса биогенных элементов;
• ‒ на четвертом этапе на основе статистических данных произведены расчеты по выносу биогенных элементов при фиксированном значении выпадении осадков при различных значениях глубины обработки почвы.

Результаты исследования

Моделирование процесса поступления биогенных элементов. По результатам экспертной оценки и анализа литературы были установлены наиболее весомые показатели, влияющие на вынос азота и фосфора с сельскохозяйственных угодий, такие как количество внесенных удобрений, объем влаги, влагоемкость почвы, площадь поля, глубина обработки и др.

 

Рис. 1. Схема взаимосвязи критерия минимума количества поступления биогенных элементов в водные объекты с другими зависящими от него показателями

Fig.1. Diagram of the relationship between the criterion for the minimum amount of nutrients entering water bodies and other indicators that depend on it

 

На рисунке 1 представлена схема, показывающая взаимосвязь выноса азота и фосфора с другими зависящими от него показателями.

Для количественной оценки и сопоставления базового (допустимого) значения выноса биогенных элементов с текущим значением в качестве критерия был выбран минимум количества поступления азота и фосфора в водные объекты $A_{NP}^l\to \min$.

Исходя из проведенного анализа, можно говорить о том, что количество выноса азота и фосфора существенно зависит от дозы внесения удобрений, объема влаги, влагоемкости, глубины обработки, плотности и пористости почвы, площади поля и может быть выражено формулой:

$A_{NP}^l=f\left(N_{NP}, Q_B, W^{\mathrm{П}}, F, h\right)$,                                                                       (1)

где N_NP ‒ количество внесенных удобрений (азота и фосфора), кг/га; Q_в ‒ объем влаги, м³; W ^п ‒ полная влагоемкость почвы, %; F ‒ площадь поля, м²; h ‒ глубина обработки, см.

Количество биогенных элементов с 1 га сельскохозяйственных угодий, которое может поступить в водные объекты, можно рассчитать по формуле:

$A_{NP}^l=Q_{\mathrm{П}} · {\psi }_{NP},$ кг,                                                                                (2)

где $Q_{\mathrm{П}}$ ‒ величина потери воды на сброс, м³; ${\psi }_{NP}$ ‒ содержание (концентрация) азота и фосфора в стоке⁴, кг/м³.

Величину потери воды на сброс $Q_{\mathrm{П}}$ можно определить из выражения:

$Q_{\mathrm{П}} =Q_{\mathrm{в}} - Q_{\mathrm{уп}}$, м³,                                                                               (3)

где $Q_{\mathrm{в}}$ ‒ количество воды, поданной на 1 га (атмосферные осадки или оросительные воды), м³; $Q_{\mathrm{уп}}$ ‒ количество влаги (воды), которое может удержать почва, м³.

Количество влаги $Q_{\mathrm{уп}}$ , которое может удержать почва, определяется из выражения:

$Q_{\mathrm{уп}} = {10}^{-4} · W^{\mathrm{П}} · F · h,$ м³,                                                                        (4)

где W^п ‒ полная влагоемкость почвы, %; F ‒ площадь поля, м²; h ‒ глубина обработки почвы, см.

Значение содержание азота и фосфора можно определить по формуле:

${\mathrm{\Psi }}_{NP}=\left[\left(N_N-V_N^{\mathrm{ПВ}}-V_N^{\mathrm{раст}} - V_N^{\mathrm{исп}} - V_N^{\mathrm{адс}}\right) + \left(N_P - V_P^{\mathrm{ПВ}} - V_P^{\mathrm{раст}}\right)\right]$, кг/м³,                 (5)

где N_N ‒ количество внесенных на 1 га азотных удобрений, кг; N_P ‒ количество внесенных на 1 га фосфорных удобрений, кг; $V_N^{\mathrm{ПВ}}$ ‒ вынос азота с 1 га в подпочвенные горизонты, кг;  $V_N^{\mathrm{раст}}$‒ вынос азота с 1 га растениями, кг;  $V_N^{\mathrm{исп}}$‒ улетучивание азота в виде аммиака и закиси азота, которое зависит от температуры и влажности почвы, кг. Потери азота из-за улетучивания в среднем составляют 15 % от внесенного⁵ его количества;  $V_N^{\mathrm{адс}}$‒ потери азота с 1 га в процессе адсорбции, кг; $V_P^{\mathrm{ПВ}}$‒ вынос фосфора с 1 га в подпочвенные горизонты, кг;  $V_P^{\mathrm{раст}}$‒ вынос фосфора с 1 га растениями, кг; f_a ‒ коэффициент⁶, учитывающий влияние агротехнического фона на концентрацию биогенных веществ в стоке.

Полная влагоемкость соответствует состоянию полной насыщенности почвы водой, когда ею заполнены все поры. Ее величина зависит от пористости почвы и рассчитывается по формуле⁷:

$W^{\mathrm{П}}=\frac{P}{{\rho }_n}$,                                                                                                     (6)

где W^п ‒ полная влагоемкость (в % от сухой почвы); Р – пористость (в % от объема почвы); ρ_n ‒ плотность почвы (г/см³).

Полная влагоемкость почвы⁸ обычно колеблется в пределах 40–50 %.

В нормативных документах предельно допустимая концентрация⁹ азота и фосфора в водах водных объектов рыбохозяйственного значения составляет 1 мг/дм³ или (0,001 кг/м³), что следует учитывать при определении показателя $A_{NP}^l$ по выражению (2).

Скорость передвижения жидкости сквозь толщу массива почвы определяется по формуле¹⁰:

$V_{\mathrm{об}}=K_{\mathrm{ф}} · S · gradl = {10}^{-2} · K_n · {\rho }_w · S ·\frac{gradl}{\eta }$, м/с,                                                            (7)

где K_ф ‒ коэффициент фильтрации; K_n ‒ коэффициент проницаемости, м² или см²; (коэффициентом проницаемости называют физическую величину, которая характеризует способность вещества пропускать жидкости и газы; при неизменных вязкости и градиенте давления с ростом коэффициента проницаемости скорость фильтрации увеличивается); S ‒ площадь поперечного сечения грунта, через который проходит вода; gradl ‒ градиент напора; ρ_w ‒ плотность воды, г/см³; η ‒ вязкость воды.

Гидравлический градиент i ‒ напорный градиент ‒ безразмерная величина потерь напора на единице длины пути движения жидкости (рис. 2). Отражает степень сопротивления среды при движении воды. В динамике подземных вод гидравлический градиент (пьезометрический уклон) пропорционален скорости фильтрации и в зависимости от геологического строения и состава пород изменяется в основном от сотых до тысячных долей единицы.

 

Рис. 2. Схема определения гидравлического градиента ^[11]

Fig.2. Scheme for determining the hydraulic gradient ^[11]

 

Скорость движения воды зависит от уклона поверхности поля. Значение гидравлического градиента i равно отношению потери напора  H = H₂ - H₁ к длине пути фильтрации L и выражается¹¹:

$i = \mathrm{tg} v =\frac{ H_2 + H_1}{L_{}}=\frac{H_{}}{L_{}}$.                                                                             (8)

Время, требуемое для выноса из определенной площади азота и фосфора, можно рассчитать по формуле:

$t_{NP}^{\mathrm{вын}} = \frac{\left(3600 · A_{NP}^l · h · F\right)}{\left(V_{\mathrm{об}} · Q_{\mathrm{в}} · \rho · {\omega }_k\right)},$                                                                          (9)

где  $A_{NP}^l$‒ количество азота и фосфора, которое может поступить в водные объекты, кг/га; F ‒ площадь поля, га; h ‒ глубина обработки почвы, см; V_об ‒ скорость передвижения жидкости сквозь толщу массива почвы, см/с.; Q_в ‒ объем влаги, м³; ρ_w ‒ плотность воды, кг/м³; ω_k ‒ концентрация NP в жидкости.

Необходимо отметить, что для полного выноса азота и фосфора требуется, чтобы W^п ≥ 2Q_в.

Предложенная авторами данной статьи математическая модель (2) и ее составляющие (3), (4) и (5) являются результатом дальнейшего совершенствования моделирования сложного процесса выноса биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий. Предложенная математическая модель, по сравнению с используемыми в научных кругах моделями, описывает процесс с учетом площади сельскохозяйственных угодий, глубины обработки, пористости, влагоемкости и других агрофизических свойств почвы.

С использованием выражений (1)–(9) были произведены расчёты по определению возможного количества выноса биогенных элементов с пашни площадью 1 га при выпадении осадков 50 мм (или 500 м³/га) за час и различных значениях глубины обработки почвы – 5, 20 и 30 см.

При расчетах приняты начальные условия: переуплотненный слой почвы находится ниже глубины ее обработки, содержание азота в почве – 30 кг/га, фосфора – 120 кг/га, общая концентрация азота и фосфора в 1 м³ воды соответсвует 0,21 кг.

Обсуждение и заключение

Разработана математическая модель для определения и прогнозирования выноса биогенных элементов в зависимости от агрофизических свойств почвы. Сущность предложенной математической модели сводится к синтезу многочисленных показателей и их взаимодействия в сложном процессе оценки снижения негативного влияния биогенных элементов.

Результаты расчетов, соответствующих выпадению осадков 50 мм/ч (500 м³/га), показали, что при глубине обработки h ≥ 13,7 см почва полностью может удерживать влагу, при этом не происходит ее сток за пределы поля. Отсутствует вынос биогенных элементов с поля, то есть $A_{NP}^l = 0$.

При глубине обработки h < 13,7 см количество накопивщейся воды в почве превышает полную ее влагоемкость, и происходит сток излишней влаги с поля. Чем меньше глубина обработки, тем больше будет величина стока излишней влаги, в которой содержатся биогенные элементы. При этом концентрация биогенных элементов в стоке будет больше, если удобрения внесены на поверхность или незначительную глубину. При глубоком внутрипочвенном внесении удобрений их концентрация будет снижаться.

При глубине обработки h = 10 см объем излишней влаги, которая стекает с поля, составляет 136,0 м³. В этом случае количество биогенных элементов, которое может быть вынесено с водой, составит $A_{NP}^l$ ≤ 28,5 кг с 1 га.

При обработке почвы на глубине всего h = 5 см с поля может стекать 426,5 м³ излишней влаги, что приводит к выносу биогенных элементов до  $A_{NP}^l$ ≤ 89,5 кг с 1 га.

По значениям $A_{NP}^l$ можно судить об уровне экологической опасности выноса биогенных элементов с поля.

 

¹ Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета. РД-АПК 1.10.15.02-08 / Минсельхоз РФ. М., 2008. 93 с.; Рекомендации по обоснованию экологически безопасного размещения и функционирования животноводческих и птицеводческих предприятий / А. Ю. Брюханов [и др.]. СПб.: ИАЭП, 2015. 48 с.; Бойченко З. А., Чуян Г. А., Тур О. П. Прогнозирование содержания биогенных элементов в стоке с сельскохозяйственных угодий // Агрохимия. 1985. № 5. С. 73‒79; Хрисанов Н. И., Осипов Г. К. Управление эвтрофированием водоемов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 276 с.

² Иванченкова О. А., Калашникова О. А. Источники антропогенного воздействия на водные экосистемы // Среда, окружающая человека: природная, техногенная, социальная: мат-лы X Междунар. науч.-практ. конф. (29 апреля 2021 г., г. Брянск). Брянск: Изд-во БГИТУ, 2021. С. 211‒215. EDN: PHNNYG

³ Ширчкова А. Н., Цветкова Н. Н. Вынос биогенных веществ со стоком реки Приморской в Калининградский залив // Балтийский морской форум: мат-лы X Междунар. Балтийского морского форума. Т. 3. (26 сентября–01 октября 2022 г., г. Калининград). Калининград, 2022. С. 248‒255. EDN: CNWMTL

⁴ Нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения [Электронный ресурс]: Приложение к приказу Министерства сельского хозяйства РФ от 13 дек. 2016 г. № 552. URL: https://base.garant.ru/71586774/53f89421bbdaf741eb2d1ecc4ddb4c33/#friends (дата обращения: 06.10.2023).

⁵ Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия / Под ред. Б. А. Ягодина. М.: Колос, 2002. 584 с.

⁶ Вынос биогенных элементов с водосборов малых рек республики Татарстан / О. Н. Урбанова [и др.] // Вестник Удмуртского университета. 2015. Т. 25, вып. 4. С. 45‒52.

⁷ Руководство по определению агрогидрологических свойств почвы. РД 52.33.219–2022 / ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД». Обнинск, 2023. 121 с.

водопользования: Гигиенические нормативы. ГН 2.1.5.1315-03 / Минздрав России. М., 2003. 214 с.

⁸ Исаенко В. А., Горбунов М. Ю. Водно-физические свойства почвы и их изменение при различных технологиях обработки почвы в севообороте // Вестник Курганской ГСХА. 2012. № 4. С. 16‒19.

⁹ Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового

¹⁰ ГОСТ 25584-2016. Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации: дата введения 2017-05-01. М.: Стандартинформ, 2016. 19 с.

¹¹ Леонтьев Н. Е. Основы теории фильтрации: учеб. пособие. М.: Изд-во Центра прикладных исследований при механико-математическом факультете МГУ, 2009. 88 с.

Авторлар туралы

Nozim Jabborov

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: nozimjon-59@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8910-2625
ResearcherId: А-7780-2019

Dr.Sci. (Engr.), Professor, Leading Researcher of the Department of Agroecology in Crop Production

 

Ресей, 3 Filtrovskoye Shosse, Tyarlevo, Saint Petersburg 196634

Anatoliy Savelyev

National Research Mordovia State University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: tbsap52@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0361-0827
ResearcherId: AAB-2078-2021

Dr.Sci. (Engr.), Professor, Professor of the Chair of Life Safety

Ресей, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Aleksandr Dobrinov

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: a.v.dobrinov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3242-1235
ResearcherId: ААС-9655-2020

Cand.Sci. (Engr.), Associate Professor, Senior Research Officer, Department of Agroecology in Crop Production

Ресей, 3 Filtrovskoye Shosse, Tyarlevo, Saint Petersburg 196634

Anton Zakharov

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: bauermw@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3501-0543
ResearcherId: S-4113-2018

Cand.Sci. (Engr.), Leading Researcher of the Department of Agroecology in Crop Production

Ресей, 3 Filtrovskoye Shosse, Tyarlevo, Saint Petersburg 196634

Ilya Zhuikov

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: raynov96@mail.ru
ORCID iD: 0009-0008-3702-1485

Postgraduate Student

Ресей, 3 Filtrovskoye Shosse, Tyarlevo, Saint Petersburg 196634

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар