Минеральные формы азота в воде малой реки, подверженной влиянию осушительной мелиорации на примере реки Солонечной

Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН, ул. Шолом-Алейхема 4, г. Биробиджан, 679016, e-mail: ,

Антропогенная деятельность оказывает существенное влияние на количественные и качественные характеристики природных вод заболоченных территорий, при этом осушительная мелиорация играет здесь особую роль [9]. В пределах российской части Среднеамурской низменности мелиорация земель в условиях избыточного

увлажнения, помимо оптимизации водно-воздушного режима и повышения плодородия почв, существенно трансформирует гидрологический баланс осушаемых территорий, характер почвообразования и в целом способствует интегральной перестройке системы трансформации вещества и энергии как в освоенных сельскохозяйственных ландшафтах, так и в водных экосистемах [3].

Ключевым последствием осушительных мероприятий является сток дренажных вод, обогащенных биогенными и органическими соединениями (зачастую в концентрациях, превышающих предельно допустимые). Попадают в водоприемники мелиоративных систем, оказывая не только загрязняющее, но и эвтрофирующее воздействие на существующие водные экосистемы, нарушая их природный баланс [16]. Сельскохозяйственная деятельность на осушенных землях, наряду с осушительными мелиорациями, является одной из причин антропогенного эвтрофирования природных вод [1, 10].

Амплитуда сезонных колебаний минеральных форм азота служит одним из показателей экологического состояния водных объектов и степени их загрязненности азотсодержащими веществами.

Азотсодержащие соединения выступают одним из главных агентов эвтрофирования, наибольший интерес представляют аммонийные (NH 4+ ), нитритные (NO₂^–) и нитратные (NO₃^–) ионы [13, 15]. Главными источниками нитратов в воде являются органические вещества, бытовые, индустриальные и сельскохозяйственные стоки, а также минеральные удобрения, используемые на полях и огородах. Азот также является компонентом белков, поэтому при их разложении образуются аммиак, нитриты и, наконец, нитраты [14]. Содержания нитратов, нитритов и аммонийного азота являются важными показателями химического состава воды, которые используются при проведении экологической оценки и нормировании качества природных вод. Анализируя их содержание в токе и соотношение между концентрациями азотсодержащих ионов, можно определить, существуют ли предпосылки для развития антропогенного эвтрофирова-ния, и внести вклад в изучение степени трофности водотока [5]. Высокие концентрации азотсодержащих ионов будут способствовать развитию процесса антропогенного эвтрофирования, а преобладание в содержании восстановленных форм ионов азота над окисленными может свидетельствовать о перенесенном кислородном дефиците [6, 8].

Целью данной работы является исследование изменения концентраций минеральных форм азота в воде малой реки, подверженной влиянию осушительной мелиорации.

Объект и материалы

В качестве исследуемого водного объекта выбрана река Солонечная, в пределах которой используется более 10 тыс. га мелиорируемых земель сельскохозяйственного назначения, в основном под пашни, пастбища и улучшенные сено- косы, имеющие лугово-болотный и лугово-глинистый тип почв, с разнотравно-луговой и болотной растительностью.

Река Солонечная (рис. 1) имеет площадь водосбора 484 км2, длину – 50 км, берет свое начало из юго-западных склонов хребта Чурки, впадает в р. Амур. Залесенность ее бассейна составляет менее 10%, заболоченность – 90%, в том числе около 5% приходится на мелкие озера.

В результате длительной эксплуатации поймы р. Солонечной на пахотных землях сформировался мелиоративный режим, характеризующийся использованием современных интенсивных агротехнологий с внесением высоких доз удобрений и применением различных агрохимикатов для борьбы с вредителями и сорняками на фоне осушения и дренажа [2]. Это обусловило весьма высокий уровень антропогенной нагрузки как на почвы, так и на водные объекты, что вызывает загрязнение почв и водных объектов биогенными веществами, а также тяжелыми металлами и пестицидами.

На всем протяжении река принимает множество мелиоративных каналов, соединенных между собой в единую сеть. На некоторых участках, особенно в нижнем течении, русло искусственно спрямлено, представляет собой продолжение мелиоративной сети. На всем протяжении река течет в глубокой заболоченной долине. Ширина реки – не более 5 м. Глубина в среднем течении – около 1,5 м. В районе проведения осушительных работ течение слабо выражено, иногда не наблюдается вовсе.

Для изучения влияния осушительной мелиорации на изменение концентраций различных форм азота в воде малых рек были проведены полевые исследования с 2019 по 2023 гг. Выбор определенных точек отбора производился на основании предварительной гидрологической и гидрохимической рекогносцировки. Отбор проб выполнялся выше и ниже районов проведения мелиоративных работ, для поверхностных вод осуществлялся в соответствии с ГОСТ Р 59024-2020. Для определения содержания минеральных форм азота (N-NH .' , N-NO 2 ^- и N-NO 3 ^-) в поверхностных водах был использован метод фотометрии. Содержание аммиака и ионов аммония (суммарно) определялось по ГОСТ 33045-2014 с помощью раствора виннокислого калия-натрия и реактива Несслера. Определения нитрит-ионов проводили по ПНДФ 14.1:2:4.3-95 с использованием реактива Грисса.

Оценку трофности воды в реке проводили согласно рекомендациям [4], (табл. 1).

Рис.1. Карта-схема точек отбора проб поверхностных вод на реке Солонечной

Fig. 1. Map of surface water sampling points on the Solonechnaya River

Таблица 1

Критерии трофности вод по содержанию различных форм азота

Table 1

Water trophicity criteria based on the content of nitrogen various forms

Критерий	Тип трофности
	Олиготрофия	Мезотрофия	Эвтрофия
N-NH 4+	0,025–0,15	0,15–0,6	>0,60
N-NO3–	0,01–0,2	0,2–0,3	>0,3
N-NO2–	0,01–0,015	0,015–0,06	>0,06

Результаты и обсуждения

В поверхностных водах соединения, содержащие азот, присутствуют как в растворенной форме, так и в виде коллоидов и взвесей, претерпевая трансформации под воздействием различных физических, химических и биологических процессов [7]. Диапазон сезонных изменений концентраций минеральных форм азота (N-NH4++ N-NO2– + N-NO3–) является важным индикатором экологического здоровья водных экосистем и сте- пени их загрязнения органическими веществами, содержащими азот.

Концентрации аммонийного азота в верхнем течении р. Солонечной характеризовались небольшой амплитудой сезонных колебаний (0,05– 0,2 мг/дм³), не превышающих значений ПДК, за весь исследовательский период (табл. 2). Содержание ионов аммония (NH 4+ ) при переходе от олиготрофных к эвтрофным водотокам обычно воз-

Таблица 2

Концентрации аммонийного азота в воде р. Солонечной (мг/дм3)

Table 2 Ammonia nitrogen concentrations in the Solonechnaya River water (mg/dm3)

Минеральные форы азота	Место отбора проб			ПДК в.р.
	Верхнее течение	Осушительный канал	Нижнее течение
n-nh4 +	0,05–0,1	0,9–5,2	0,4–4,6	0,4
	0,07	3,9	2,1

Примечание: Числитель: первая цифра – минимальное значение, вторая – максимальное, знаменатель – среднее растает как по абсолютным концентрациям, так и по их доле в общем балансе связанного азота. Результаты наших исследований свидетельствуют о высокой степени загрязнения вод ионом аммония.

Наибольшее содержание N-NH 4+ получено для вод осушительной системы. Для дренажных вод с осушительной системы был характерен высокий уровень и большая сезонная амплитуда колебаний содержания ионов N-NH 4+ . Самые высокие значения концентраций были отмечены в конце лета (3,9 мг/дм³) и осенью (5,2 мг/дм³), когда происходит отмирание водных организмов, также в это время прослеживается снижение содержания растворенного в воде кислорода. При сопоставлении полученных значений с ПДК_в.р. (0,4 мг/ дм³) было выявлено превышение концентраций по отношению к нормативу более в чем 8 и 13 раз. В весенний период (начало мая) в воде наблюдался недостаток кислорода, на границе между донными отложениями и водой возникали восстановительные процессы, подтверждением этому служили повышенные концентрации N-NH 4+ , ощутимый запах сероводорода, а также наличие мертвой растительности и ила на поверхности осушительного канала после таяния льда. Изменения концентраций ионов аммония в реке Солонечной на участке, расположенном ниже точки стока дренажных вод с территории осушения, демонстрировали схожие колебания с концентрациями в каналах осушительной сети. В верховьях реки амплитуда этих колебаний была менее выражена. Анализ максимальных и средних показателей аммонийного азота указывал на значительное влияние стоков с осушенных земель на содержание данного компонента в воде реки. Это воздействие выражается в увеличении концентрации N-NH 4+ от начала поймы до участка, находящегося ниже стоков из осушительной системы. Превышение предельно допустимой концентрации N-NH 4+ для рыбохозяйственных водотоков в этой зоне наблюдений достигало от 2 до 10 раз. Высокие концентрации N-NH 4+ обусловлены как прямым поступлением сточных вод с высокой концентрацией этого элемента, так и процессами разложения органического вещества, которое присутствует здесь в значительном количестве.

Анализ качества поверхностных вод, проведенный на основе средних концентраций ионов аммония и экологической классификации, выявил значительное загрязнение вод осушительной системы. По средним концентрациям аммония воды верхних течений рек можно отнести к разряду 3а «достаточно чистые». Согласно полученным данным, воды осушительного канала квалифицируются как «сильно загрязненные» (разряд 4б), приближаясь к категории «весьма грязных» из-за высокого среднего содержания N-NH4+. Воды водоприемника в его верховьях классифицировались как «умеренно загрязненные» (разряд 4а), что указывает на относительно лучшее качество воды в этой зоне.

Амплитуда сезонных колебаний концентраций N-NO3– служит одним из показателей эвтро-фирования водного объекта.

Из табл. 3 видно, что наиболее значительным колебаниям содержания нитратов были подвержены в период исследований воды каналов осушительной сети и водоприемника в створе ниже стоков с осушительной системы опытного участка.

Концентрация нитратов (N-NO3–) в исследуемых водах была подвержена заметным сезонным колебаниям [11]. Результаты проведенных исследований показали, что наименьшие концентрации N-NO3– получены в период интенсификации процессов фотосинтетической деятельности водных организмов (весной и летом) для дренажных вод с осушительной системы – 1,8–2,0 мг/дм3, анижних течений рек – 1,0–1,4 мг/дм3. Увеличение концентраций нитратов отмечено в периоды массового отмирания водных организмов осенью и высокой активности нитрифицирующих бактерий (верхний предел значений – 2,7–2,9 мг/дм3).

Нитриты (N-NO2–), являясь неустойчивым компонентом в водной среде, представляют собой промежуточную ступень в цепи бактериальных процессов окисления аммония до нитратов (нитрификация) в аэробных условиях и, напротив, восстановления нитратов до азота и аммиака (денитрификация) при недостатке кислорода.

В верхнем течении реки повышение концентраций N-NO2–отмечалось лишь в летние периоды.

Таблица 3 Концентрации нитратного азота в воде р. Солонечной (мг/дм3)

Table 3 Nitrate nitrogen concentrations in the Solonechnaya River water (mg/dm3)

Минеральные форы азота	Место отбора проб			ПДК в.р.
	Верхнее течение	Осушительный канал	Нижнее течение
N-NO3–	0,3–1,2 0,8	1,8–2,9 2,3	1,0–2,7 1,9	40

Таблица 4

Концентрации нитритного азота в воде р. Солонечной (мг/дм3)

Table 4

Nitrite nitrogen concentrations in the Solonechnaya River water (mg/dm³)

Минеральные форы азота	Место отбора проб			ПДК в.р.
	Верхнее течение	Осушительный канал	Нижнее течение
N-NO2–	0,01–0,05 0,03	0,1–0,8 0,5	0,05–0,5 0,3	0,08

Содержание нитритов в водах осушительной системы изменялось в достаточно широких пределах (табл. 4), повышение концентраций наблюдалось в летние периоды: с 0,1 до 0,73 мг/дм3 в осушительном канале и с 0,1 до 0,3 мг/дм3 в нижнем течении реки. Максимальные концентрации N-NO2– были обнаружены осенью, в период усиления процессов разложения органических остатков, сопровождающихся снижением содержания растворенного в воде кислорода, они составляли 0,77 мг/дм3 (август), а также в период ледостава при восстановительных условиях в придонных слоях воды – до 0,83 мг/дм3. В реке ниже стоков с осушительной системы наибольшие концентрации нитритов наблюдались летом (0,5 мг/дм3 в июне), что было вызвано, возможно, интенсификацией процессов нитрификации и активностью фитопланктона: установлена способность диатомовых и зеленых водорослей восстанавливать нитраты до нитритов.

Оценивая экологическое состояние водных экосистем по средним концентрациям N-NO2–, воды каналов осушительной сети можно отнести к разряду 4б «сильно загрязненные», нижних течений рек – к разряду 4а «умеренно загрязненные». Речные воды в начале поймы относились к категории «достаточно чистые» [12].

Заключение

Таким образом, результаты гидрохимических исследований показали, что избыточное поступление минеральных форм азота с дренажными водами в реку Солонечную с осушительной системы способствует возрастанию концентраций этих компонентов на участке реки ниже стоков с опытного участка. Это предопределяет изменение трофических условий по продольному профилю реки. Минерализация органического вещества и нарушение кислородного режима устойчиво поддерживают интенсификацию процессов эвтрофи- рования на этом участке реки, приводят к ухудшению условий среды обитания водных организмов и в целом к изменению состояния и функционирования всей экосистемы, отражающейся в перестройке структуры фитопланктонного сообщества.

Исследование выполнено в рамках государственного задания Института комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН.