Моделирование и прогнозирование выноса биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий в зависимости от агрофизических свойств почвы

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

ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ Том 34, № 1. 2024 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.

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 _N ^l _P → 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 = f ( N np , Q B , W " , F , h ) , (1)

где N_NP ‒ количество внесенных удобрений (азота и фосфора), кг/га; Q _в ‒ объем влаги, м 3 ; Wⁿ - полная влагоемкость почвы, %; F - площадь поля, м 2 ; h - глубина обработки, см.

Основной критерий / The main criterion

Обобщенные показатели / Generalized indicators

Управляемые (нормируемые) воздействия / Controlled (normalized) impacts

Минимум количества поступления азота и фосфора в водные объекты / The minimum amount of nitrogen and phosphorus entering water bodies

A ^l _NP→ min

Плотность почвы / Soil density: ρ Доза внесения удобений / The dose of fertilizer application: NPK

Объем влаги / Moisture volume: Q _в

Влагоемкость почвы / Soil moisture capacity: W ^п Площадь поля / Field area: F Глубина обработки почвы / Depth of tillage: h Пористость почвы / Soil porosity: X _пор

Приемы обработки почвы / Soil treatment techniques Количество проходов МТА / Number of MTA passes Глубина обработки почвы / Depth of tillage Доза, тип и агрегатное состояние удобрений / The dose, type and aggregate state of fertilizers

Приемы и способы внесения удобрений / Methods and methods of fertilization

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

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

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

A NP ⁼ Q n "V NP ’ кг’                                 ⁽²⁾

где Q _П ‒ величина потери воды на сброс, м³; ψ_NP ‒ содержание (концентрация) азота и фосфора в стоке⁴, кг/м³.

Величину потери воды на сброс Q _П можно определить из выражения:

Q _n= Q _B - Q _yn , м 3 ,                               (3)

где Q _в ‒ количество воды, поданной на 1 га (атмосферные осадки или оросительные воды), м³; Q _уп ‒ количество влаги (воды), которое может удержать почва, м³.

Количество влаги Q _уп, которое может удержать почва, определяется из выражения:

Q _yn = |0 41 " • Fh , м 3 ,                           (4)

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

Значение содержание азота и фосфора можно определить по формуле:

W NP ^-

пв раст      исп

( NN N N

7 адс