Оценка потерь биогенных веществ с использованием портативной дождевальной установки

УДК 631.421

оценка потерь биогенных веществ с использованием портативной дождевальной установки

Ю.П. СУХАНОВСКИЙ, доктор сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией

B.А. ВЫТОВТОВ, старший научный сотрудник Ю.А. СОЛОВЬЁВА, кандидат географических наук,

старший научный сотрудник

А.В. ПРУЩИК, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник

C.И. САНЖАРОВА, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

Всероссийский научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии, ул. К. Маркса, 70-Б, Курск, 305021, Россия E-mail: soil-er@kursknet.ru

Резюме. С целью оценки потерь растворённых биогенных веществ в поверхностном стоке воды проведены эксперименты в поле с большой дождевальной установкой (ДУ) - площадь стоковой площадки, на которой происходила ручейковая эрозия, 3,0 м2 и в лаборатории с монолитами почвы, отобранными на тех же полях, с портативной ДУ со стоковой площадкой в форме круга площадью 0,05 м2 без ручейковой эрозии. Задачи: получение экспериментальных данных и обоснование их использования при естественных дождях и больших площадях водосборов. Исследования проведены в Курской области на тёмно-серой лесной почве (потери P2O5, 2013 г., через год после распашки 30-летней залежи) и чернозёме (потери NH4, 2014 г., зернопаропропашной севооборотбез удобрений, пар). В обоих случаях потери биогенных элементов (мг/м2) зависели от слоя стока воды, а различия для разных ДУ находились в пределах 10%, что подтвердило принятую нами гипотезу: потери (с единицы площади) биогенных веществ сопряжены со слоем стока воды, а не с ручейковой эрозией. Это можно объяснить тем, что дождевой сток, а c ним потери биогенных веществ, зависят от площади стекания воды в ручейковую сеть, которая составляет лишь малую долю от водосборной площади. Имея экспериментальную зависимость потерь биогенных элементов от слоя стока, можно сначала рассчитать слой стока для естественных дождей и больших площадей водосбора, а затем - потери биогенных веществ, что дает возможность оценивать их потери в естественных условиях. Ранее такое решение отсутствовало. Ключевые слова: биогенные вещества, растворённые формы, поверхностный сток, естественные и искусственные дожди, чернозём, серая лесная почва. Для цитирования: Оценка потерь биогенных веществ с использованием портативной дождевальной установки/Ю. П. Сухановский, В.А. Вытовтов, Ю.А. Соловьёва, А.В. Прущик, С.И. Санжарова // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 8. С. 15-18.

При выпадении естественных дождей на пахотные склоны в зависимости от впитывающей способности почвы может образовываться поверхностный сток воды (в виде ручейковой сети, которая формируется в результате ручейковой эрозии). Со стоком происходят потери из почвы растворённых форм биогенных веществ. Это приводит, с одной стороны, к снижению плодородия почвы, с другой, - к ухудшению качества водных ресурсов. Существуют два основных экспериментальных подхода к исследованию таких процессов. Первый - проведение в неуправляемых условиях натурных наблюдений на водосборах и создаваемых стоковых площадках, но это очень затратный и продолжительный процесс. Например, на логу Малютка Ниж-недевицкой воднобалансовой станции (Воронежская область, почва - чернозём, пашня) за 1959-1986 гг. было зарегистрировано только 13 дождей со стоком

в интервале 0,6-8,7 мм [5]. Это не позволяет собирать необходимые данные, что существенно тормозит исследование и разработку адекватных мер решения проблемы, которые при таком подходе могут появиться через десятилетия. Второй - использование дождевальных установок (ДУ) и стоковых площадок. В этом случае опыты проводят в управляемых условиях.

Начало применения ДУ для исследования стока воды и смыва почвы связывают с работой Цинга [1]. Такие установки нашли широкое применение во всём мире для исследования влияния различных факторов на поверхностный сток воды, смыв почвы и вынос из нее (как в растворенных формах, так и в составе наносов) химических веществ. При этом многие десятилетия ряд вопросов оставался нерешённым. Как данные, полученные для искусственных дождей, ис-пол ьзовать для естественных? М ожно ли испол ьзовать для больших площадей, оцениваемых гектарами и квадратными километрами, экспериментальные показатели, полученные для малых стоковых площадок? Для эрозионных потерь почвы такие проблемы удалось устранить в 2003 г. [2] с использованием физически обоснованного эрозионного индекса дождя А1 [3] и универсального уравнения эрозионных потерь почвы [4], разработанного для условий США. В этом же году было предложено и проверено [5] уравнение для впитывающей способности почвы Щ), где t - время от начала выпадения дождя. Оно базируется на параметрах почвы (их значения оценивают по результатам дождевания) и зависимости эрозионного индекса дождя А1(^ от времени t [3, 2]. Проверка показала, что это уравнение можно использовать для расчёта поверхностного стока воды, когда происходит ручейковая эрозия при выпадении как искусственных дождей на малую стоковую площадку, так и естественных дождей на большую площадь водосбора.

Позднее было установлено, что для оценки почвенных параметров в уравнении для Щ) можно использовать портативную ДУ [6, 7] со стоковой площадкой 0,05 м2, на которой отсутствует ручейковая эрозия. Это означает, что впитывающая способность почвы (следовательно, и сток) не зависит (или слабо зависит) от ручейковой эрозии. Оценив с помощью портативной ДУ значения почвенных параметров в уравнении для Щ) и имея рассчитанные зависимости А1(^ для естественных дождей, можно рассчитать соответствующие слои стока с большой площади водосборов [5]. При использовании портативной ДУ сокращаются затраты на изготовление и эксплуатацию.

По результатам ранее проведенного эксперимента [8] (дождевание стоковой площадки размером 5 м2 с образованием на ней ручейковой эрозии) выявлена взаимосвязь потерь биогенных веществ (с единицы площади) от слоя стока воды. Аналогичная зависимость установлена для потерь биогенных веществ со стоком при весеннем снеготаянии [9]. Применительно к потерям биогенных веществ, полученным при дождевании малых стоковых площадок, решение указанных задач отсутствует.

Цель исследований - получить экспериментальные данные с использованием портативной ДУ для оценки

рис. 1. Дождевальные установки: А - портативная; Б - большая.

потерь растворимых форм биогенных веществ с дождевым стоком.

Для ее достижения решали три основные задачи: совершенствование методики дождевания при использовании новой портативной ДУ; получение экспериментальных данных для искусственных дождей; обоснование возможности использования этих показателей для естественных условий.

С учетом результатов более ранних исследований, была принята следующая гипотеза: потери (с единицы площади почвы) биогенных веществ зависят от слоя стока воды и не зависят (или слабо зависят) от ручейковой эрозии.

Условия, материалы и методы. Для проверки принятой гипотезы и решения поставленных задач были проведены эксперименты с двумя ДУ (рис. 1): большая установка [10] со стоковой площадкой длиной 3,0 м и площадью 3,0 м2, на которой происходила ру-чейковая эрозия; портативная ДУ [7] со стоковой площадкой в форме круга с площадью 0,05 м2, без ручейковой эрозии. На обеих установках дождь создавали по одному принципу: образовывая одинаковые дождевые капли, падающие с одной высоты; интенсивность дождя задавали

постоянной. Для большой ДУ капли с диаметром й=4,5± 0,3 мм падали с высоты Н= 2,0 м со скоростью 5,5 м/с; для портативной - d=4,0± 0,3 мм, Н=1,0 м, скорость падения капель 4,1 м/с (здесь и далее "±" означает стандартное отклонение).

При постановке экспериментов была задействована ранее разработанная методика [11]. Опыты с использованием большой ДУ проводили в поле, с портативной ДУ - в лаборатории с монолитами почвы,

отобранными на тех же полях. Основные исследования выполнены на двух разных почвах Курской области: тёмно-серой лесной (через год после распашки 30-летней залежи, 2013 г.; Курский район) и чернозёме (многофакторный полевой опыт ВНИИЗиЗПЭ, зерно-паропропашной севооборот, вспашка, без внесения удобрений, почва в состоянии пара, 2014 г.; Медвен-ский район).

Интенсивность дождя задавали постоянную и измеряли в начале и в конце эксперимента. При её определении поверхность стоковой площадки накрывали водонепроницаемой плёнкой, а расчёт проводили по формуле:

/ст, = М/

где /ст| - интенсивность стока (объём воды, стекающий с единицы площади поверхности в единицу времени), мм/мин.; ДЦ - объём стекающей воды за время Ati (мин.), л; S - площадь стоковой площадки, м2. Кумулятивный слой стока (мм) определяли суммированием величин (/стД) за предыдущие интервалы времени.

Впитывающая способность почвы сильно зависит от интенсивности дождя [5]. За интервалы времени Дti (мин.) отбирали воду (содержащую наносы) массой ДМ,

Таблица. данные условий, при которых проведены эксперименты

Параметр Портативная ДУ Большая ДУ

монолит 1 | монолит 2

Потери Р,05

Интенсивность дождя, мм/мин.:

начальная 2,38±0,03 2,38±0,01 1,39±0,07

конечная 2,38±0,02 2,47±0,01 1,56±0,06

Продолжительность дождя, мин. 47 42 54

Содержание Р2О5 в:

дожде, мг/л 0,4 0,4 0,4

почве, мг/100 г 42,2±5,0 42,2±5,0 42,2±5,0

Потери N4.

Интенсивность дождя, мм/мин.:

начальная 2,35±0,07 2,39±0,04 1,54±0,07

конечная 2,28±0,06 2,36±0,10 1,67±0,03

Продолжительность дождя, мин. 48 50 45

Содержание ЫИ4 в:

дожде, мг/л 0,05 0,05 0,05

почве, мг/100 г 0,68±5,0 0,68±5,0 0,68±5,0

Рис. 2. Зависимость потерь Р205 от слоя стока воды (тёмно-серая лесная почва в со

стоянии пара): о - большая ДУ; + - портативная ДУ (монолит 1) 2).

(кг), стекающую с площадки, где i - порядковый номер отбора, соответствующий времени I. Эту воду фильтровали и определяли её объём ДЦ (л). Интенсивность стока 1ст| (мм/мин.), то есть объём воды, стекающий с единицы площади поверхности в единицу времени, рассчитывали по зависимости (1).

Потери за время Дti биогенного элемента для фильтрованной воды со стоковой площадки рассчитывали по уравнению:

Дт, =

где Дт, - потери биогенного элемента со стоковой площадки, мг; - содержание этого элемента в стекающей воде, мг/л; Сдж - содержание биогенного элемента в дождевой воде, мг/л; ДЦ - объём стекающей воды за время Дti, л. Условие (С, - С ) < 0 означает, что биогенный элемент, содержащийся в дождевой воде, частично поглощает почва.

Если объёма воды ДЦ не хватало для химического анализа, то объединяли объёмы для нескольких соседних интервалов времени и определяли среднее содержание Ссред. Кумулятивные потери биогенного элемента (мг) рассчитывали суммированием Дт, за предыдущие интервалы времени.

Сначала отбор стекающей воды проводили непрерывно (один резервуар одновременно заменяли другим). Это позволяло учесть весь сток. Далее, когда увеличение расхода стекающей воды замедлялось, в её отборе делали перерывы, как правило, в 5 минут. Для расчёта стока за время перерыва использовали линейную интерполяцию.

При определении интенсивности дождя отбор

стекающей воды делали в 10-кратной повторности: для большой ДУ Ati = 20 с, для портативной Ati = 60 с (см. табл.). При стоке с поверхности почвы для обеих ДУ отбор стекающей воды проводили за Ati = 60 с.

Все расчёты проведены с использованием Microsoft Excel 2010.

Результаты и обсуждение. Для разных ДУ и площадок потери P2O5 зависели от слоя стока воды, ручейковая эрозия оказывала на них незначительное влияние - при слое стока 40 мм средние потери для портативной ДУ были меньше, чем для большой, на 7,7% (рис. 2).

Аналогичную тенденцию наблюдали и с содержанием NH4 - при слое стока 51 мм потери для портативной ДУ были в среднем на 10% выше, чем для большой ДУ (рис. 3). Это подтверждает принятую нами гипотезу и можно объяснить следующим: в естественных условиях на водосборе поверхностный дождевой поток воды концентрируется, в результате чего происходит ручейковая эрозия и образуется ручейковая сеть. Поскольку ее площадь составляет малую долю от общей, то объём стока воды с водосбора (вместе с ним и количество растворённых химических соединений) будут приближённо оцениваться объёмом стока воды и количеством потерь этих соединений с площади, где нет ручейковой сети. Если эти две величины разделить на указанную площадь, то получится, что средние потери химических веществ с единицы учета (мг/м2) будут больше зависеть от среднего слоя стока воды (мм).

При однородной почве на любой площади водосбора, зависимость потерь химических соединений, полученная на одном участке водосбора, будет справедлива для любого другого участка и как усреднённая по всему водосбору.

А - портативная ДУ (монолит

Рис. 3. Зависимость потерь NH4 от слоя стока воды (почва - чернозём в состоянии пара): о - большая ДУ; + - портативная ДУ (монолит 1); А - портативная ДУ (монолит 2).

Параметры проведения экспериментов с портативной ДУ соответствовали условиям очень малого участка водосбора, на котором отсутствовала ручейковая эрозия, большой ДУ- малого участка водосбора, на котором происходила ещё и ручейковая эрозия.

Изложенное позволило сформулировать следующее предположение: если разные дожди (естественные и/или искусственные) с одинаковым химическим составом воды выпадают на одну и ту же почву и образуют одинаковый слой стока, то потери биогенных элементов с единицы площади поверхности почвы будут одинаковыми. В таком случае, имея экспериментальные зависимости потерь биогенных веществ от слоя стока, можно оценивать их потери в естественных условиях. С этой целью сначала для конкретного естественного дождя и водосбора необходимо определить слой стока, используя разные методы, включая дождевание стоковых площадок [6]. Затем по экспериментальным зависимостям оценить потери биогенных веществ при условии, что химические соединения практически не разлагаются за время нахождения их в потоке воды (в противном случае это необходимо учитывать). Такое утверждение принято в качестве обоснования применения данных дождевания для естественных условий.

Следует отметить, что могут появиться и другие обоснования. В любом случае их проверка возможна

только в будущем при наличии необходимых для этого результатов натурных наблюдений.

Таким образом, сведения о потерях биогенных элементов, полученные с использованием портативной ДУ, можно использовать для естественных дождей и больших площадей водосборов. Это и есть решение упомянутых задач, которое до сих пор отсутствовало.

выводы. Экспериментально установлено (погрешность 10%), что потери с единицы площади почвы биогенных элементов (Р205 и NH4) зависят от слоя стока воды и не зависят от ручейковой эрозии.

В качестве обоснования применения экспериментальных зависимостей для естественных условий принято следующее утверждение: если на одну и ту же почву выпадают естественные и искусственные дожди с одинаковым химическим составом воды и образуют одинаковый сток, то и потери биогенных элементов будут одинаковыми. Для естественного дождя, выпадающего на водосбор, необходимо сначала оценить слой стока (используя разные методы, включая дождевание), затем по экспериментальной зависимости можно оценить потери биогенных элементов (с единицы площади поверхности почвы). Для проверки этого (и любого другого) обоснования необходимы данные натурных наблюдений за потерями биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий, которые на сегодняшний день отсутствуют и могут быть получены не скоро.

Литература.

1. Zingg A.W. Degree and length of land slopes as it affect soil loss in runoff// J. of Agric. Engineers. 1940. V. 21(2). pp. 59-64.

2. Применимость универсального уравнения потерь почвы от эрозии (USLE) для условий Европейской территории России / Ю.П. Сухановский, Г. Оллеш, К.Ю. Хан, Р. Майснер, М. Роде, М.П. Волокитин, Б.К. Сон//Почвоведение. 2003. № 6. С. 733-739.

3. A new index for rainfall erosivity on a physical basis / Sukhanovski Yu.P., Ollesh G., Khan K.Y., Meisner R. // J. Plant Nutrition Soil Science. 2002. Vol. 165. pp. 51-57.

4. Wischmeier W.H., Smith D.D. Predicting rainfall erosion losses //Agricultural handbook. Washington. 1978. No. 537. 65 р.

5. Сухановский Ю.П. Зависимость инфильтрации от эрозионной характеристики дождя // Почвоведение. 2003. № 10. С. 1248-1257.

6. Оценка впитывающей способности почвы с использованием портативной дождевальной установки / Ю. П. Сухановский, В. А. Вытовтов, А. В. Прущик, Ю. А. Соловьева, С. И. Санжарова // Бюллетень Почвенного института им. В.В.Докучаева. 2015. Вып. 78. C. 31-41. URL: http://esoil.ru/publications/bulletin/78_2015_ns/782015ns3.html(дата обращения: 04.06.2015).

7. Патент на изобретение 2519789 РФ, МПКА0Ю25/09, B05B17/00, G01N17/00, G01N33/24. Портативная лабораторно-полевая дождевальная установка / В.А. Вытовтов, Ю.П. Сухановский, С.И. Санжарова, А.В. Прущик, Ю.А. Соловьева: ГНУ ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии. № 2012145695; заявл. 25.10.2012; опубл. 20.06.2014. Бюлл. изобретений. 2014. № 17: ил.

8. Метод дождевания в почвенно-эрозионных исследованиях/ Ю.П. Сухановский, А.И. Санжаров, С.И. Санжарова, В.Б. Горин, В.А. Агарков, Г.А. Чуян, Т.В. Карпинец, Ю.А. Виноградов//Под ред. В.М. Володина и Ю.П. Сухановского. Курск: Изд. центр "ЮМЭКС", 1999. 68 с.

9. Чуян Г.А., Бойченко З.А., Тур О.П. Методические рекомендации по оценке выноса биогенных веществ поверхностным стоком. М.: ВАСХНИЛ, 1985. 32 с.

10. Патент на изобретение 2417578 РФ, МПКА0Ю25/00. Лабораторно-полевая дождевальная установка / В.А. Вытовтов, Ю.П. Сухановский, А.В. Прущик, С.И. Санжарова: ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии. № 2008149743; заявл. 16.12.2008; опубл. 10.05.2011. Бюлл. изобретений. 2011. №13: ил.

11. Сухановский Ю.П. Модификация методики дождевания стоковых площадок для исследования эрозии почв // Почвоведение. 2007. №2. С. 215-222.

evaluation of losses of biogenic substance using a portable rainfall simulator

Yu.P. Sukhanovskii, V.A. Vytovtov, Yu.A. Solov'eva, A.V. Prushchik, S.I. Sanzharova

All-Russia Research Institute of Arable Farming and Soil Erosion Control, K. Marx st., 70b, Kursk, 305021, Russia Summary. With the aim of evaluation of losses of dissolved biogenic substances with the surface water runoff, field experiments using the large rainfall simulator and laboratory tests with soil monoliths were carried out. In the field experiment the area of a runoff plot was3 sq. m. Soil monoliths for laboratory tests were sampled from the same fields; portable rainfall simulator was used on runoff plot with the circle shape and area 0.05 sq. m; there was no rill erosion. The tasks were: to obtain experimental data and to substantiate their using for natural rains and large catchment areas. The studies were conducted in Kursk region with dark grey forest soil (the loss of P2O5, 2013, in a year after ploughing of 30-year fallow) and with black soil (the loss of NH4, 2014, a grain-fallow-row crop rotation without fertilization, fallow). In both cases the loss of biogenic elements (mg/m2) depended on the layer of water runoff, and the differences between different rainfall simulators were within 10%, that confirmed our hypothesis: the losses of biogenic substances (per unit of area) depended on the runoff depth and not with rill erosion. This can be explained by the fact that rain runoff (and the loss of biogenic substances) depends on the area of water flows down into the rill net, which is only small portion of the catchment area. Having an experimental dependence of the loss of biogenic substances, it is possible to calculate a runoff layer for natural rains and large catchment areas and evaluate the loss of biogenic substances. It enables to evaluate their losses under natural conditions. Earlier there was not such solution. Keywords: biogenic substances, dissolved forms, surface runoff, natural and artificial rains, black soil, gray forest soil. Author Details: Yu.P. Sukhanovskii, Dr. Sc. (Agr.), Head of Laboratory (e-mail: soil-er@kursknet.ru); V. A. Vytovtov, Senior Researcher; Yu.A. Solov'eva, Cand. Sc. (Geog.), Senior Researcher; A.V. Prushchik, Cand. Sc. (Agr.), Senior Researcher; S.I. Sanzharova, Cand. Sc. (Biol.), Leading Researcher.

For citation: Sukhanovskii Yu.P., Vytovtov V.A., Solov'eva Yu.A., Prushchik A.V., Sanzharova S.I. Evaluation of losses of biogenic substance using a portable rainfall simulator. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2015. V. 29. №8. pp. 15-18 (In Russ).