Современное экологическое состояние рисовых оросительных систем в условиях Кубани

Водные ресурсы, их количественное и качественное состояние играют важную роль в обеспечении устойчивого социально-экономического развития Краснодарского края, который располагает значительным водным потенциалом. По данным Кубанского бассейнового водного управления в крае насчитывается 7751 рек, общей протяжённостью 29125 км, 1090 озёр и лиманов, 3 больших водохранилища и более 2 тыс. мелких водохранилищ и прудов. К категории крупных рек относится р. Кубань, имеющая общую длину 870 км и водосбросную площадь 57900 км2 [2]. Река Кубань является основным источником водоснабжения рисовых оросительных систем Краснодарского края. Среднемноголетний годовой сток составляет 13,0 км3, максимальный – 19,7 км3 (1997 г.), минимальный – 7,3 км3 (1986 г.), амплитуда колебаний – 12,5 км3. Сток р. Кубани зарегулирован Краснодарским водохранилищем (ёмкость 1,95 км3), годовой баланс которого складывается положительно [9].

Водоснабжение рисовых систем на 22% обеспечивается за счёт ёмкости водохранилища и на 78% за счёт стока р. Кубани в поливной период (июль-сентябрь). Водность реки в этот период, в основном, определяет степень водообес-печенности рисовых систем оросительной водой [9]. Структура сброса сточных вод в поверхностные водные объекты по отраслям значительно варьирует. По состоянию на 2008 г. в составе сточных вод промышленности преобладают нормативно-чистые (96%), а в сельском хозяйстве сброс нормативно-чистых вод составляет 74% и загрязнённых – 26%. По данным мониторинга вода р. Кубани относится к третьему и второму классу качества, «умеренно-загрязнённая» и «чистая» [2].

Цель исследований: изучение степени загрязнения и способности к самоочищению водных объектов рисовой оросительной системы.

Материал и методы исследования. Объектом исследования являлись вода р. Кубани и вода рисовой оросительной системы опытнопроизводственного участка ГНУ ВНИИ риса, находящихся в одинаковых гидрологических, климатических и почвенно-морфологических условиях. По геоморфологическому районированию дельты р. Кубани территория исследуемых объектов входит в стародельтовый район [1]. Пробы воды из р. Кубани отбирали один раз в месяц в поверхностном горизонте до 12 часов дня. Исследования проводили на отдельном участке реки возле насосной станции №1, которая обеспечивает подачу воды на рисовую оросительную систему опытно-производственного участка ГНУ ВНИИ риса. На рисовых чеках отбор проб воды проводили в течение всего оросительного периода.

Для определения биохимической потребности кислорода за 5 суток (БПК 5 ) использовали манометрическую систему OxiTop фирмы WTW [12]. Определения содержания неорганических анионов (F^-, Cl^-, Br^-, SO^2- 4 , NO^- 3 , NO^- 2 , PO^3- 4 ) проводили на ионной хроматографической системе ICS-2000 фирмы Dionex, катионов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺) – на пламенном фотометре PFP7 фирмы Buck Scientific. Концентрацию растворённого в воде кислорода определяли кислородомером Oxi 340i фирмы WTW, общую минерализацию – кондуктометром S30 фирмы Mettler Toledo, активность водородных ионов определяли портативным измерителем рН/EC/TDS/температуры HI 991301 фирмы Spectrum.

Результаты исследования и их обсуждение. В соответствии с требованиями к составу и свойствам поверхностных вод содержание растворенного кислорода в пробе, отобранной до 12 часов дня, не должно опускаться ниже 4 мг/л в любой период года. Проведённые исследования показали, что кислородный режим р. Кубани в поливной период для возделывания риса был удовлетворительным. Степень насыщения воды кислородом летом варьировало от 78% до 93%, или 6,42-7,20 мгО2/л, а к осени увеличивалось до 94-100 %, или 8,35-9,60 мгО2/л (рис. 1).

•5 6

О s4

ПДК О2

БПК5

29      18

май июнь

8       30

июль

август сентябрь октябрь дата отбора

Рис. 1. Содержание растворенного кислорода и величина БПК 5 воды р. Кубани

Изменения концентраций растворенного кислорода в воде тесно связано с величиной биохимического потребления кислорода. Показатель БПК, как правило, характеризует содержание в воде легкоокисляющихся органических веществ и широко используется для оценки загрязнённости поверхностных вод [3, 5]. В зависимости от категории водоёма величина БПК 5 регламентируется не более 3 мг O 2 /л для хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мгО 2 /л для хозяйственно-бытового и культурного водопользования [5, 11].

Рис. 2. Химический состав воды р. Кубани. Условные обозначения: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 – даты отбора (1 – 29.05; 2 – 18.06; 3 – 08.07; 4 – 30.07;

5 – 31.08; 6 – 24.09; 7 – 16.10)

Анализ проб воды р. Кубани показал, что в исследуемом водоёме величина БПК5 составила весной 2 мг О2/л, летом 3-4 мг О2/л и осенью – 1-2 мг О2/л. По степени загрязнения легко-окисляемыми органическими веществами вода р. Кубани характеризуется в весеннее и осеннее время как «чистая», а летом – как «загрязнённая». Общая минерализация воды р. Кубани с мая по август варьирует от 141 до 157 мг/л. Величина минерализации возрастает осенью одновременно с увеличением концентраций компонентов в ионном составе (рис. 2). Активность водородных ионов изменяется в небольшом интервале от 7,42 до 7,87 ед.

Результаты химического анализа воды р. Кубани показали (рис. 2), что она не загрязнена изучаемыми неорганическими соединениями, за исключением бромид-иона, концентрация которого за период наблюдений составило 0,90-2,41 мг/л, что выше ПДК культурно-бытового водопользования (ПДК к-б ). Среди анионов в химическом составе воды р. Кубани преобладает сульфат-ион, в небольших количествах присутствует хлорид-ион. Их содержание увеличивается весной и осенью. В летний период концентрация сульфатов и хлоридов не превышает 60 и 8 мг/л соответственно. Содержание фосфат-иона в летний период не выше значений ПДК к-б , максимальная концентрация его наблюдается осенью в результате поступления со сточными водами. Концентрация в воде нитритов и нитратов в период исследований не превышало ПДК к-б . В катионной группе преобладают ионы натрия и кальция. Летом их концентрация в р. Кубани не выше 30 мг/л, а осенью повышается до 40-54 мг/л. В третьей декаде июля и августа наблюдалось ухудшение качества воды. Основными загрязняющими веществами являлись бромиды, фториды, фосфаты. Превышение ПДК к-б наблюдалось только по содержанию бромидов.

Как показали наши исследования, вода в оросительном канале сильно не отличалась от источника орошения (р. Кубань) по химическому составу, содержанию растворенного кислорода и органических веществ. Кислородный режим поливной воды в период вегетации риса складывался удовлетворительно. Содержание растворенного кислорода было в пределах 6,987,70 мг О 2 /л. Низких значений концентраций кислорода в воде оросительного канала не отмечено. Летом насыщение воды кислородом достигало 88%, а содержание органических веществ, определяемых по БПК₅, составило в среднем 4 мг О 2 /л.

Общая минерализация воды является доминирующим ирригационным показателем при орошении. Оросительная вода имеет ограничения в использовании при орошении сельскохозяйственных культур: если содержание натрия и хлора составляет более 3 и 4 мг-экв/л соответственно, нитратов более 5 мг/л, активность ионов водорода менее 6,5 или более 8,4 ед. [6, 7]. Оросительная вода, по результатам наших исследований, характеризовалась величинами минерализации порядка 130-174 мг/л и слабощелочной реакцией (рН в среднем 7,75 ед.). По своему химическому составу она сильно не отличалась от р. Кубани в течение всего периода наблюдений.

Концентрация нитритов и фосфатов в оросительной воде была 0,4 и 1,2 мг/л соответственно, а в отдельных пробах они вообще отсутствовали. Содержание нитратов варьировало в пределах от 1,85 до 3,24 мг/л. Таким образом, по химическому составу оросительная вода отвечала требованиям пригодности для орошения риса.

Как известно, в разложении органических веществ участвуют различные группы организмов, главным образом это бактерии. В результате сложных биохимических процессов углеводы, жиры и белки разлагаются на более простые соединения. Конечными продуктами являются минеральные соли, газы и вода. Эти соединения поглощают водоросли, высшие растения и простейшие организмы. Самым важным условием в начальный период вегетации риса является наличие в воде растворенного кислорода. Если кислорода в воде недостаточно, то высшие организмы погибают. В результате органические соединения вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением H 2 S, CH 4 , CO 2 и H 2 , оказывающие негативное влияние на развитие растений. Через 10 дней после затопления рисовых чеков насыщение воды кислородом составило 68% или 5,86 мг О 2 /л. После проведения подкормки посевов риса азотным удобрением содержание в воде растворенного кислорода увеличивается в 2 раза (11,72-12,90 мг О 2 /л). Это связано с абсорбцией кислорода из атмосферы, погодными условиями (во II декаде июня наблюдалось выпадение осадков), а также с процессом фотосинтеза за счёт развития фитопланктона (рис. 3). Изменение видового разнообразия водорослей на рисовых полях Кубани определяется фазами вегетации риса, режимом орошения, внесением минеральных удобрений и другими агротехническими условиями [4, 10]. Низкое содержание растворенного в воде кислорода отмечено в период с III декады июня и до конца августа (2,27-5,29 мгО 2 /л). Кроме этого, в этот период отмечается максимальное количество органических веществ в воде, учитываемых по БПК₅. Критические величины БПК₅ отмечены 22 июня и 10 июля – 14 и 18 мг О 2 /л соответственно, что значительно выше ПДК к-б .

Потребление кислорода в воде рисовых чеков связано с процессом окисления органических веществ отмершего фитопланктона, интенсивное развитие которого наблюдалось в фазе кущения риса (июнь). Этому периоду соответствует массовое размножение нитчатых и синезелёных водорослей [4], при разложении которых и происходит накопление в воде органических соединений. Повышенная температура воздуха и небольшая сумма осадков в это время способствовали снижению содержания кислорода в воде рисовых чеков. На концентрацию растворённого кислорода также оказывает влияние и гидрологический режим рисового поля, а именно температура, слой воды, проточность, состав и концентрация растворенных веществ, слабое перемешивание водной массы, особенно в условиях сухой безветренной погоды. К концу оросительного сезона потребление кислорода уменьшилось и значение БПК 5 перед сбросом воды в чеке (август) составило 6 мг О 2 /л, что свидетельствует об интенсивном протекании химико-биологических процессов в рисовом поле. Следовательно, можно заключить, что рисовые экосистемы обладают хорошей потенциальной способностью к самоочищению и самовосстановлению.

Анализ химического состава воды на рисовых чеках показал (рис. 4), что во все периоды отбора ее общая минерализация на 43% выше, чем в оросителе, главным образом за счёт увеличения содержания хлоридов, сульфатов, натрия. Наибольшие значения рН воды в посевах риса отмечено в июне 8,57-9,10 ед. Подщелачивание воды в рисовых чеках связано с развитием водорослей. В остальные периоды величина рН не превышала 7,5 ед.

Рис. 3. Содержание растворенного кислорода и величина БПК₅ воды в рисовых чеках

Рис. 4. Химический состав воды в рисовых чеках. Условные обозначения: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 -даты отбора (1 – 18.05; 2 – 08.06 (перед подкормкой); 3 – 11.06 (через 2 дня после подкормки); 4 – 16.06; 5 – 22.06; 6 – 10.07; 7 – 27.07; 8 – 28.08)

Через 10 дней после затопления рисовых чеков в пробах воды обнаружены все изучаемые ионы, кроме нитритов. Химический состав воды, которая сбрасывалась до внесения азотной подкормки, отличался от оросительной воды большей минерализацией и содержанием неорганических соединений в ионном составе. Через 2 дня после подкормки посевов риса азотным удобрением отмечается появление в воде нитритов и нитратов в количестве 0,41 и 1,03 мг/л соответственно, что ниже ПДК к-б . Значительных изменений концентраций других неорганических ионов не наблюдалось. Через 4 дня после подкормки и до конца оросительного сезона содержание нитрит- и нитрат-ионов во всех без исключения пробах воды не обнаружено.

Известно, что содержание фторид-иона зависит от минерализации и химического состава воды [8]. С увеличением минерализации воды в посевах риса, по сравнению с источником орошения (р. Кубань), повышается концентрация фтора. Так, в среднем за летний период вода р. Кубани характеризуется минимальным содержанием фтора (0,24 мг/л) при минерализации 152 мг/л, а максимальная его концентрация (0,82 мг/л) обнаруживается в воде рисовых чеков с минерализацией 263 мг/л. Содержание фторид-иона не превышает значение ПДК к-б . В период массового сброса воды из рисовых чеков (сентябрь) в сбросном канале увеличивается содержание фторидов, бромидов, хлоридов, фосфатов, сульфатов, калия и натрия в 1,5-2,0 раза без превышения ПДК к-б . Содержание растворённого кислорода и минерализация воды меньше чем в оросителе на 33% и 49% соответственно. По содержанию в воде легкоокисляемых органических веществ сбросной канал можно отнести к категории «грязный» пятого класса качества. Величина БПК₅ преимущественно составляет 67 мг О 2 /л.

Выводы: самоочищающая способность водных объектов рисовой оросительной системы зависит от складывающихся окислительновосстановительных условий, кислородного, гидрологического и температурного режима. Вода реки Кубани с учётом максимальных концентраций загрязняющих органических веществ характеризуется в основном как «умерено-загрязнённая», третьего класса качества и по химическому составу пригодна для орошения риса.