Стратегия использования защитных лесных насаждений для эффективного рассеивания запаха от животноводческих комплексов (обзор)

Защита воздуха от загрязнения, т. е. предотвращение попадания в атмосферу соединений, способных причинить вред здоровью и окружающей среде, является важнейшем условием сохранения природных экосистем и обеспечения активного долголетия населения . В настоящее время перечень загрязняющих веществ, в отношении которых применяются меры государственного регулирования в области охраны атмосферного воздуха РФ, включает 293 наименования (Распоряжение Правительства РФ..., 2023). Для многих из этих веществ характерен специфический неприятный запах (Cao et al., 2023; Сырчина и др., 2024). Неприятные запахи вызывают чувство дискомфорта, отвращения и раздражения. У людей, проживающих вблизи источников запаха, чаще регистрируются различные эмоциональные и соматические нарушения, в т. ч. астма, атопический дерматит, неврологические расстройства (Гошин и др., 2020; Иванова и др., 2020; Parada-Ulloa et al., 2024; Piccardo et al., 2022). Для минимизации негативных последствий запахово-го загрязнения необходимо внедрение комплекса мер, направленных на ограничение выбросов загрязняющих веществ промышленными, сельскохозяйственными и коммунальными предприятиями (Пилип, Сырчи-на, 2018; Сырчина, Пилип, 2021; Колеватых и др., 2022; Сырчина и др., 2023). Согласно данным Агентства по охране окружающей среды США (EPA), выгоды, полученные от реализации мероприятий по защите воздуха от загрязнения, превышают затраты в 30 раз (Benefits, 2011).

Высокий уровень эмиссии широкого спектра запахообразующих веществ (ЗОВ) характерен для животноводческих предприятий (Терентьев и др., 2019; Пилип, Сырчина, 2023). Источником неприятного запаха служат сами животные, корма, а также побочные продукты животноводства – навоз, навозные стоки, птичий помет (Пилип, Аших-мина, 2017; Пилип, 2020; Богданова, 2023). В процессе микробиологической деструкции побочных продуктов животноводства образуются Н2S, NH3, короткоцепочечные жирные кислоты, тиоспирты, тиоэфиры, биогенные амины, спирты, фенолы, крезолы и многие другие соединения с весьма неприятным запахом (Hanajima et al., 2010; Ni et al., 2012; Marszałek et al., 2018; Woodbury, 2023). По имеющимся оценкам, объемы выбросов летучих органических соединений, NH3 и H2S из свинарников достигают 0.4, 2.8 и 0.1 кг/ год на одну свинью соответственно (Liu et al., 2014). От каждой коровы в год в атмосферу поступает примерно 8.6 кг NH3 и 77 г H2S (Shi et al., 2023). Ежегодное образование NH3 в птичниках в среднем составляет 47 г на одну курицу (Bist et al., 2023). Соответствующие объемы выбросов вызывают существенное загрязнение окружающей среды. Согласно экспериментальным данным, содержания NH3 в атмосферном воздухе на расстоянии 2 км от коровника на 320 скотомест достигает 0.55 мг/м3, H2S – 0.10 мг/м3 (Вторый и др., 2022), что значительно выше среднегодовых нормативов, установленных в СанПиН 1.2.3685-21 (0.04 мг/м3 для NH3 и 0.002 мг/ м3 для Н2S).

В настоящее время ведется активный поиск способов уменьшения концентрации ЗОВ в атмосферном воздухе вблизи животноводческих предприятий. Достижение необходимого результата может быть обеспечено за счет снижения эмиссии ЗОВ или за счет повышения эффективности их рассеивания (дисперсии) в нижних слоях атмосферы. Первое направление предполагает использование химических реагентов, сорбентов, биопрепаратов, кормовых добавок, способствующих иммобилизации ЗОВ или ограничивающих микробиологические процессы деструкции компонентов побочных продуктов животноводства. Второе направление ориентировано на устройство барьеров на пути ламинарного движения загрязненных потоков воздуха и создание турбулентности, приводящей к эффективному разбавлению загрязненного воздуха чистым. Хороший барьерный эффект и эффективную дисперсию ЗОВ могут обеспечить правильно организованные защитные лесные насаждения (ЗЛН). Технология обустройства ЗЛН для снижения запаховой нагрузки на окружающую среду отличается высокой экологичностью и полностью соответствует принципам зеленой экономики, однако в РФ данной технологии уделяется недостаточно внимания.

Цель работы – систематизировать и обобщить опубликованные данные, посвященные вопросам проектирования и обустройства защитных лесных насаждений на территориях животноводческих предприятий для снижения запаховой нагрузки на окружающую среду.

Аналитический обзор

Статья содержит обзор научной информации, посвященной проблеме обустрой- ства ЗЛН для рассеивания запаха, источником которого являются животноводческие предприятия. В обзор включены результаты научных исследований, опубликованные в период с 1982 по 2025 г. в рецензируемых научных изданиях, материалах конференций, сборниках научных трудов, а также нормативные документы, устанавливающие общие принципы, правила и характеристики в сфере защиты атмосферного воздуха от загрязнения.

Для поиска информации применяли сервисы eLIBRARY, КиберЛенинка, Scopus, Google Scholar, Web of Science, Академия Google, «Scholar.ru». Основу лингвистического моделирования предметного поля составляли следующие ключевые слова: животноводство, побочные продукты животноводства, запах, дисперсия запаха, защитные лесные насаждения, а также ключевые слова из научных статей близкой тематики. Основное внимание в обзоре уделено таким вопросам, как перспективы применения ЗЛН для снижения запаховой нагрузки на окружающую среду, механизмы дисперсии запаха и технология обустройства ЗЛН.

Контроль запаха на предприятиях животноводства

Борьба с запаховым загрязнением окружающей среды предприятиями животноводства представляет весьма сложную задачу, что обусловлено высоким содержанием загрязняющих веществ в воздухе помещений для животных и на прилегающих территориях. Интенсивная эмиссия ЗОВ в основном обусловлена процессами микробиологической деструкции побочных продуктов животноводства, объемы образования которых значительно превосходят объемы выхода основной животноводческой продукции (Jayathilakan et al., 2012; Kostic et al., 2020).

Ужесточение нормативных требований к качеству атмосферного воздуха и низкая толерантность населения к наличию неприятных запахов повышают интерес к поиску технологических решений, позволяющих снизить концентрацию ЗОВ в приповерхностном слое тропосферы. Определенные положительные результаты удается получить за счет оптимизации рациона животных; обработки побочных продуктов животноводства химическими реагентами, сорбентами, биопрепаратами; очистки отработанного воздуха от загрязняющих веществ; изоляции мест хранения и обработки побочных продуктов животноводства (например, обустройство крытых лагун); повышения эффективности рассеивания ЗОВ в нижних слоях атмосферы; изменения гедонистического тона (маскировки) запаха (Hamilton, Ogejo, 2017; Cao et al., 2023; Park et al., 2024).

При выборе вариантов контроля запаха учитываются такие факторы, как особенности источника ЗОВ (места хранения побочных продуктов животноводства, помещения для животных, объекты землепользования), организация производства в условиях конкретного хозяйства, территориальное расположение предприятия и ландшафт, баланс затрат и экономической выгоды от внедрения технологии в практику. Некоторые представления о практической ценности тех или иных способов контроля запахового загрязнения позволяет получить анализ информации, характеризующий отношение американских производителей свинины к различным методам контроля запаха (таблица) (Kliebenstein et al., 2003).

Согласно результатам опросов, чаще всего животноводы отказывались от использования химических методов снижения эмиссии ЗОВ (озонирование, обработка навоза реагентами, использование кормовых добавок). Самые низкие доли неудовлетворенности достигаемым результатом и отказ от применения в практической деятельности получил метод обустройства ветроломных полос и сооружений.

В США разработана веб-программа планирования и проектирования растительных экологических буферов под названием VEB-Econ. Программа позволяет пользователям выбрать оптимальный видовой состав и местоположение рядов деревьев, оценивает общие годовые затраты на посадку деревьев и долгосрочное управление, а также любые альтернативные издержки и факторы в распределении затрат (Tyndall et al., 2018).

В РФ целесообразность создания ЗЛН на предприятиях животноводства обоснована в рекомендациях по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета (Мишуров, 2018).

Преимущества и недостатки защитных лесных насаждений для контроля запаха

Согласно ГОСТ 26462-85, защитное лесное насаждение представляет собой естественное или искусственное лесное насаждение для защиты природных, сельскохозяйственных, промышленных, коммунальных и транспортных объектов от неблагоприятно-

Удовлетворенность производителей свинины различными методами контроля запаха

Метод контроля запаха	Доля от числа опрошенных, %
	Применяют или применяли метод	Удовлетворены	Безразличны	Не удовлетворены	Отказались от применения
Ветроломные (windbreaks) полосы и сооружения*	38.14	63.64	35.45	0.91	0.95
Подстилка	36.12	59.00	34.10	6.90	15.76
Глубокие навозные ямы	77.05	76.60	20.48	2.93	1.39
Лагуны	8.54	45.16	41.94	12.90	4.17
Сепарация	4.09	60.00	35.00	5.00	8.70
Компостирование навоза	20.28	65.69	26.47	7.84	13.16
Обработка навоза реагентами	42.70	23.36	44.39	32.24	54.17
Озонирование	1.78	0.00	62.50	37.50	70.00
Кормовые добавки	27.05	37.96	43.80	18.25	30.92
Внесение НС в почву	69.40	88.32	10.83	0.85	7.18

Примечание. Термины «Ветроломные полосы» (англ. windbreaks) и «защитные лесные насаждения» в контексте настоящей статьи используются как синонимы.

го воздействия природных и антропогенных факторов. Для искусственного ЗЛН в виде ленты рекомендовано название «лесная полоса» (ЛП). Полноценная ЛП представляет собой сложную биогеоценотическую систему, выполняющую комплекс функций: ве-троломную, снегораспределительную, стокорегулирующую, противоэрозионную, почвозащитную, эстетическую оздоровительную, рекреационную (Кулик, 2018; Nowak, 2002; Lin et al., 2007).

К основным преимуществам технологии создания ЗЛН (растительных экологических буферов) для поглощения и дисперсии ЗОВ можно отнести экологичность и экономичность (Hernandez et al., 2012; Mume, Workalemahu, 2021; Weninger et al., 2021). Хорошо известно, что ЗЛН действуют как барьеры, уменьшающие скорость и изменяющие направление ветра, что приводит к разбавлению (дисперсии) запаха. Лесные полосы обеспечивают визуальную изоляцию источников запаха, активно улавливают пыль, рассеивают и частично поглощают ЗОВ и парниковые газы, улучшают качество почвы и экологическую обстановку на территории размещения животноводческих предприятий (Patterson, Adizal, 2005; Kulshreshtha, Kort, 2009; Tyndall, Larsen, 2013; Ajami et al., 2019).

Большое влияние на функциональные характеристики ЛП оказывает ее структура (Wang et al., 2001; Zhou et al., 2005). Поскольку источники запаха (лагуны, компостные площадки, одноэтажные помещения для животных) находятся вблизи поверхности почвы, а шлейф запаха имеет тенденцию распространяться в приповерхностном слое воздуха, ЛП даже небольшой высоты (6–12 м) могут быть эффективными для перехвата, разрушения и разбавления шлейфа. Достигаемый результат существенно зависит от видового состава растений, а также высоты, пористости и ориентации ЛП по отношению к источнику запаха и розе ветров. Правильно спроектированные ЗЛН могут быть основным и даже единственным технологическим подходом к эффективному устранению запахов.

К недостаткам технологии создания ЗЛН следует отнести (Mize et al., 2008):

– значительный период времени для достижения растениями необходимых размеров. Деревьям должно быть не менее 3–5 лет, прежде чем будет заметен выраженный эффект;

– для размещения посадок необходимо значительное свободное пространство;

– за растениями в ЗЛН необходим квалифицированный уход (особенно в первые годы после посадки растений).

Следует отметить, что растения в насаждениях вокруг животноводческих ферм или комплексов часто не выдерживают нагрузки загрязняющих веществ и гибнут (Макарова, 2016).

Механизмы снижения запаха защитными лесными насаждениями

Анализ опубликованных работ позволяет выделить пять основных взаимосвязанных факторов, с помощью которых ЗЛН могут смягчить неприятные запахи от животноводческих предприятий.

Физический перехват и улавливание газов, пыли и других аэрозольных частиц. Закрытые помещения для содержания животных (свиней, птиц и др.) обычно оборудованы мощными вентиляционными системами. Удаляемый из помещений отработанный воздух содержит значительное количество пыли, микроорганизмов и несвойственных чистому атмосферному воздуху газов (Богданова, 2023; Косимов, 2024). Пылевидные частицы являются сорбентами и переносчиками различных ЗОВ. Загрязненный воздух в большинстве случаев выбрасывается в атмосферу без предварительной очистки. В зависимости от складывающихся климатических условий «шлейфы» запаха могут перемещаться на значительные расстояния.

Растения, входящие в состав ЗЛН, благодаря веткам и развитой листовой поверхности, активно фильтруют потоки воздуха, удаляя часть пыли, газов и микроорганизмов. Наиболее эффективно улавливают пыль растения, имеющие сложную структуру поверхности, например, хвойные или деревья с покрытыми волосками или шероховатыми листьями (вяз, ольха, липа). Растения с кожистыми и гладкими листьями (например, тополь, клен, сирень) улавливают пыль менее эффективно. Нелистопадные хвойные породы, в отличие от листопадных деревьев и кустарников, способны улавливать пыль круглый год. Более молодые и небольшие деревья, благодаря большей плотности листвы, более эффективно удаляют твердые пылевидные частицы по сравнению с более крупными зрелыми экземплярами (Nowak, 2002; Liu et al., 2012; Radhapriya et al., 2012; Sharma et al., 2017).

Разбавление и рассеивание запаха с подветренной стороны защитной лесной полосы. Известно, что запах усиливается в стабильных атмосферных ночных условиях при скорости ветра от низкой до умеренной, когда приповерхностный воздух, загрязненный ЗОВ, не поднимается вверх, а остается у поверхности и распространяется почти ламинарным потоком над местностью в соответствии с ее рельефом. Большинство случаев возникновения запаха регистрируется в промежутках между 5–7 и 19–22 часами, что связано с относительно высокой активностью в жилых помещениях и стабильными атмосферными условиями (Jacobson et al., 2001).

Важную роль в распространении запаха играет и температура воздуха. При более высоких температурах улучшаются условия для анаэробного разложения органических отходов, при этом многие ЗОВ переходят в газообразное состояние. Сочетание теплой погоды и стабильных погодных условий в вечерние и утренние часы приводит к тому, что шлейф запаха может распространяться на расстояние более 3 км (National Pork..., 1995).

Защитные полосы способны поднимать часть шлейфа запаха над поверхностью, способствуя процессам разбавления и рассеивания. Когда ветер приближается к ряду деревьев, часть воздушного потока проходит сквозь растительность, часть – вокруг нее, а оставшаяся часть поднимается вверх и над растительностью. Подъем начинается на некотором расстоянии с наветренной стороны, обычно на расстоянии равном 2–5-кратной высоте защитной полосы. Чем выше барьер, тем выше подъем воздуха. Смешивание загрязненного воздуха с чистым приводит к снижению концентрации ЗОВ и уменьшению интенсивности запаха. Согласно расчетам, высокие барьеры вокруг навозных лагун могут сократить выбросы ЗОВ с подветренной стороны на 26–92 % для диапазона отношения расстояния между барьерами к высоте от 8 до 0.6 (Liu et al., 1996). Соответствующее сокращение во многом обусловлено предотвращением прохождения пылевидных частиц, способных сорбировать ЗОВ, над поверхностью лагуны. Благодаря этому снижаются риски переноса выделяемых из лагун ЗОВ с пылью в окружающую среду.

В результате выполненных в Канаде экспериментальных исследований (Lin et al., 2006) было установлено, что:

– лесные полосы с низкой оптической пористостью (≈35 %) создают более выраженный эффект снижения запаха (оптическая пористость является двумерной мерой пористости);

– ряд хвойных деревьев на расстоянии 15 м от источника запаха обеспечивает большую дисперсию запаха, чем ряд лиственных деревьев на том же расстоянии;

– ряд деревьев, расположенный ближе к источнику запаха, способствует более выраженной дисперсии запаха, чем ряд деревьев, расположенный дальше по ветру.

Осаждение на землю пыли и других аэрозолей из-за снижения скорости ветра. Изменения турбулентности воздуха и снижение скорости ветра создают условия, при которых переносимые ветром частицы осаждаются ближе к источнику запаха, чем это было бы без ЗЛН. Характер турбулентности воздушных потоков вокруг ЛП является предметом многочисленных исследований. Установлено, что слишком плотные ЛП создают в подветренной зоне эффект стены, что снижает степень дисперсии. Более пористый барьер лучше рассеивает потоки воздуха. Эффект защиты от переноса пылевидных частиц достигает максимальных значений при пористости ЗЛН от 40 до 60 % (Torshizi et al., 2020; Chang et al., 2021).

Биосорбция запахообразующих веществ растениями. Биосорбция загрязняющих веществ растениями возможна путем диффузии газообразных или растворенных в воде веществ через открытые устьица или клеточные стенки растительных тканей. Согласно опубликованным данным, скорость биосорбции некоторых загрязняющих веществ (в частности SO₂) у хвойных растений выше, чем у лиственных (Elkiey et al., 1982).

Сорбции летучих органических веществ способствует липофильная кутикула листьев. Установлено, что особенно эффективно кутикула сорбирует летучие азотсодержащие соединения. Интенсивность сорбции усиливается при повышении относительной влажности воздуха и снижении давления паров вещества (Matyssek et al., 1995; Asman et al., 1998). Оба эти явления обычно происходят в подветренной тихой зоне ЗЛН. В зависимости от пористости ЛП относительная влажность в защищенных зонах обычно на 2–4 % выше, чем на открытых площадках. Температура в таких зонах также на несколько градусов выше, чем на открытой местности, что способствует процессам биосорбции. Активная биосорбция загрязняющих веществ характерна и для многочисленных групп микроорганизмов, обитающих на поверхности растений. Механизмы и эффективность био-сорбционных процессов различных загрязняющих веществ в настоящее время активно изучаются (Gadd, 2009; Brazesh et al., 2021; Meena et al., 2021).

Анализ опубликованных данных дает основания сделать следующие обобщения (Tyndall et al., 2007):

– скорость биосорбции повышается по мере увеличения растворимости загрязняющих веществ в воде. На влажной поверхности растений скорость их удаления может увеличиваться в 10 раз;

– стрессовые состояния растений, обусловленные недостатком влаги и солнечно- го света, препятствуют поглощению загрязняющих веществ;

– наиболее интенсивное поглощение загрязняющих веществ листвой наблюдается вблизи поверхности полога;

– скорость удаления загрязняющих веществ может линейно возрастать по мере увеличения их концентрации.

Улучшение эстетического восприятия объектов животноводства и сельских ландшафтов. Защитные лесные полосы разнообразят внешний вид сельскохозяйственных ландшафтов и делают сельскохозяйственные угодья визуально более привлекательными. Скрытые деревьями источники запаха меньше раздражают население, чем источники, находящиеся на виду (Grala et al., 2010; Tyndall, Larsen, 2013).

Оценка дисперсии запаха по ветру от естественной лесной полосы методом моделирования показала, что ЛП действительно изменила величину и направление скорости ветра, создав тем самым скачок давления по всей ее ширине. Этот скачок давления создает сильную турбулентность по ветру, образуя слой смешивания, способный усилить рассеивание запаха (Lin et al., 2009).

Проектирование лесных полос вблизи объектов животноводства

Создание ЛП является важным мероприятием в общем оздоровлении нарушенных природных комплексов, включая земли сельскохозяйственного назначения. Кроны деревьев задерживают и рассеивают осадки, подстилка защищает почву от разрушения, корни растений укрепляют грунт (Белюченко, 2020).

При проектировании ЛП следует учитывать почвенно-климатические условия региона и ассортимент доступного посадочного материала. Предпочтение отдается устойчивым к неблагоприятным факторам среды долгоживущим древесным породам, способным сформировать стабильные и долговечные насаждения (Семенютина, Терешкин, 2016). Состав лесных культур подбирают исходя из лесорастильных условий обустраиваемой территории и целевого назначения ЗЛН (Чернышов, 2015).

Большое значение имеют особенности корневой системы деревьев, поскольку расходящиеся в стороны корни могут повредить защитное покрытие внутренней поверхности лагун. Необходимо учитывать размеры зрелой растительности, чтобы выросшие деревья или кустарники не стали опасными.

Длина ЛП не должна быть меньше ширины источника неприятного запаха, поскольку шлейфы запаха в начале образования соответствуют ширине источника выбросов и могут расширяться по мере удаления от источника в зависимости от погоды и ландшафтных условий.

Важное значение для улавливания ЗОВ имеет обеспечение оптимальной плотности (пористости) ЛП. Уровень пористости должен обеспечивать такую интенсивность потока воздуха через ЛП, чтобы пылевидные частицы имели возможность контактировать с поверхностью растений и создавать внутреннюю турбулентность. Чрезмерно плотная полоса выталкивает основную часть воздушного потока вверх и через полосу, что снижает эффективность улавливания частиц (Ucar, Hall, 2001).

Общее осаждение частиц в ЛП определяется компромиссом между уровнем пористости, способствующей сквозному потоку воздуха, содержащего пылевидные частицы, и достаточной плотностью, способствующей контакту частиц с поверхностью деревьев. Имеются данные о том, что оптимальная пористость для улавливания пыли должна составлять 40–50 %. Следует отметить, что эти данные касаются только улавливания грубодисперсных частиц (пыли, капель). Для дисперсии содержащихся в воздухе молекул ЗОВ требуется обеспечивать более низкую пористость ЛП. В исследованиях (Lin et al., 2007) показано, что более плотные ЛП оказали большее влияние на снижение длины шлейфа запаха, чем менее плотные. Лесные полосы с оптической пористостью 0.55 не оказывали существенного влияния на распространение запаха. Необходимый уровень пористости может быть достигнут за счет регулирования ширины ЛП, видового состава и количества рядов древесной растительности.

Для обеспечения оптимального разбавления шлейфа запаха большое значение имеет не только пористость ЛП, но и ее высота, а также расстояние от источника запаха. Моделирование распространения запаха показывает, что эффективность дисперсии повышается при сокращении расстояния между источником и ЛП (Suzelle et al., 2011). Оптимальное расстояние между ЛП и источником запаха следует рассчитывать с учетом ландшафта конкретного участка, почвенно- климатических условий, вида высаживаемых деревьев и/или кустарников.

Некоторые виды деревьев, которые не слишком эффективно улавливают пылевидные частицы, но быстро растут (например, тополь), могут быть весьма подходящими в качестве деревьев-нянь – деревьев, которые могут обеспечить быстрый набор высоты на время подрастания хвойных пород.

Имеются ограниченные эмпирические данные, свидетельствующие о том, что клиновидный пояс (например, несколько рядов деревьев и кустарников разной высоты), в котором самый низкий ряд обращен к преобладающему ветру, может «направлять» (выталкивать) воздушные потоки выше в атмосферу.

Заключение

Создание лесных насаждений для защиты атмосферного воздуха от запахового загрязнения является важным элементом в общей системе мероприятий, направленных на оздоровление экологической обстановки на территориях размещения животноводческих комплексов.

Такие вопросы, как оценка эффективности, дизайн и технологии обустройства защитных лесных насаждений для снижения запахового загрязнения окружающей среды, активно изучаются за рубежом. В публикациях отечественных ученых проблема обустройства защитных лесных насаждений для дисперсии запаха не находит должного отражения, что существенно затрудняет возможность их эффективного проектирования в почвенно-климатических условиях конкретных регионов РФ.

При обустройстве защитных лесных насаждений на территориях складирования и обработки побочных продуктов животноводства могут возникнуть определенные сложности, обусловленные ограниченностью площади участков, пригодных для их размещения, существенным загрязнением почвы, изменением естественных характеристик грунтов под влиянием антропогенного воздействия, ограниченным видовым составом древесной растительности, пригодной для создания защитных лесных насаждений в суровых почвенно-климатических условиях на нарушенных техногенно участках. Данные аспекты проблемы требуют целенаправленного изучения и комплексной оценки.