Экологические аспекты влияния минеральных удобрений на биологическую продуктивность водоёмов

Экологические аспекты влияния минеральных удобрений на биологическую продуктивность водоёмов

Д.К. Кожаева, к.б.н., С.Ч. Казанчев, д.с-х.н., профессор, А.А. Казанчева, аспирантка, Кабардино-Балкарская ГСХА

Основная цель удобрения прудов — улучшение трофической среды для микрофлоры в виде бактерий и низших водных растений, служащих пищей для зоопланктона и бентоса, являющихся в свою очередь также необходимой трофи для ихтиофауны.

Роль бактерий как непосредственного источника консума зоопланктона и зообентоса в процессах пищеварения исключительно велика. Как показали исследования [1—3], детрит — полноценный консумент для Cladocera, личинок Chironomus plumosus, моллюсков и олигохет.

Пруд, как и любой водоём, представляет собой сложную пространственно расчленённую систему, в которой одни закономерности и условия определяют распределение и превращение внесённых в него веществ в водной массе с населяющими её организмами, другие — в данной области, причём все эти явления находятся в сложных взаимодействиях между собой [3—5].

Рыбное хозяйство заинтересовано в получении возможно большей конечной продукции, в высокой эффективности удобрений. Для этого нужно, чтобы удобрения, во-первых, как можно сильнее повышали первичную продукцию и, во-вторых, чтобы эта продукция как можно полнее использовалась трофической цепью, а последняя — рыбами.

Следует отметить, что в практике рыбохозяйственных исследований по удобрению прудов сложность вопроса, как правило, недооценивается. Чаще всего исследователи ограничиваются рыбоводными показателями действия удобрений или предпринимают традиционные комплексные исследования, при которых пользуются описательными гидрохимическими и гидробиологическими методами. Недооценивается и тот факт, что данные, получаемые при помощи этих трудоёмких методов, недостаточны для выяснения закономерных связей между описываемыми явлениями; плохо используются физиологические методы, а также результаты и возможности экспериментальных методов исследования. Всё это тормозит создание действенной теории удобрения прудов.

В настоящей работе кратко резюмируются результаты экспериментальных материалов по отдельным этапам действия удобрений, рассматриваются закономерности, касающиеся физикохимических условий утилизации внесённых в водоём (пруд) удобрений.

Целью наших исследований является изучение экологических аспектов влияния минеральных удобрений на биологическую продуктивность водоёмов в условиях Кабардино-Балкарской Республики.

Материалы и методы исследования. Базой для постановки опытов послужили спускные опытные пруды площадью 0,5—10 га с независимым водоснабжением, расположенные в разных эколого-фенологических зонах, представляющих все 5 физико-географических зон. На некоторых можно было провести комплекс ин-тенсификационных мероприятий: мелиоративные работы, фагирование рыб, известкование, удобрение.

Внесение удобрений начинали с наименьших доз, увеличивая их в последующие годы. Пруды сначала известковали и только через 2—3 недели вносили удобрения, в основном минеральные (фосфорные и азотные), по методике, разработанной лабораторией гидрохимии ВНИИПРХ [6-8];

Минеральные удобрения вносили в пруд по воде (их растворяли в воде в отработанных пищевых пластиковых ёмкостях), а затем с лодки распределяли по всей поверхности пруда.

Необходимое их количество мы рассчитали методом Ф.М. Суховерхова [5] по формуле:

-----------,

Р

где А — необходимое количество удобрений (в мг/л);

К — необходимая концентрация биогенных элементов в воде (в мг/л);

к — концентрация биогенных элементов в воде пруда, по данным химического анализа воды (в мг/л);

P — содержание действующего вещества в удобрителе (в%);

100 — поправка на проценты.

Общее количество удобрений определяли умножением количества удобрений (в мг/л) на объём пруда.

Ориентировочно норма внесения фосфорных удобрений — от 15 до 20 кг Р2О5 на 1 га, азотных — из расчёта поддержания концентрации 2 мг чистого азота на 1 м3 воды, т.е. вносили 2 г азота.

Общее число микроорганизмов определяли по методу А.С. Разумова [9]. Для определения первичной продукции два раза в месяц отбирали пробу бактериопланктона, как правило, в первой половине дня, поскольку данные отбора проб в это время отвечали среднесуточным.

Отбор проб и обработку бактериопланктона осуществляли на ультрамембранных фильтрах марки НИFS фирмы Chempol.

Результаты исследований. Удобрения, вносимые в пруд, действуют на рыбу опосредованно, создавая условия для массового развития микроорганизмов как одного из важнейших звеньев трофической цепи. Начальные звенья этой цепи — бактерии и фитопланктон.

Наши исследования подтверждают, что минеральные удобрения оказывают положительное влияние на развитие бактериопланктона (табл. 1).

Различия между удобренными и неудобренными прудами при плотности посадки личинок до 40 тыс. экз/га были незначительными. Исключение составляют опыты, проведённые в V эколого-климатической рыбоводной зоне (колхоз им. Петровых, Прохладненский район), в прудах, богатых органическим веществом. Численность бактериопланктона в удобренных прудах здесь была на 48% выше, чем в контрольных.

С увеличением плотности посадки личинок до 80 тыс. экз/га и выше и существенным усилением фагирования их искусственно приготовленными трофами среднесезонная численность бактерио-планктона в удобренных и произвесткованных прудах на 5—155 экз. была выше, чем в неудобренных.

Более существенное влияние на микробиологический режим воды исследованных прудов оказывает плотность посадки рыбы. Так, в прудах IV экологической рыбоводной зоны в 2006 г. среднесезонная численность бактериопланктона при плотности посадки личинок 120 тыс. экз/га оказалась выше на 13%, чем при плотности посадки 80 тыс. экз/га.

1. Среднесезонная численность бактериопланктона в опытных прудах, млн клеток/мл

Эколого- климати- ческая рыбоводная зона Сумма температур № пруда Плотность посадки рыб, тыс. экз/га Удобрение Без удобрений

личинки годовики NPCa NP Ca

V З200 1 — 8,2 11,54±0,2б - - —

З400 2 - 7,0 9,01±0,10 - - -

З - 4,1 7,21±0,41 - - -

4 - 4,0 5,72±0,21 - - -

S 40 - б,45±0,14 8,5б±0,1б - 7,20±0,94

б 80 - 8,0б±017 - - -

IV 2900 1 120 - 7,2±0,б1 - - -

З100 2 S0 - 5,27±0,11 - - 4,68±0,12

З 1б0 - 7,54±0,75 - - 5,26±0,07

4 - 5,1 7,9±0,15 - - -

III 2000 1 1б4 - 15,92±1,55 - - 7,31±1,60

2S00 2 2S - 5,7б±0,19 5,54±0,74 5,4З±0,711 5,15±0,31

З - 4,8 7,49±0,42 - - -

II 1б00 1 2S - 5,б7±0,22 - 5,57±0,5З 5,40±0,92

1S00 2 - 2,80 4,7±0,25 - - -

З - З,2 5,1±0,З5 5,71±0,б1 5,З2±0,15 4,91±0,81

I S00 1 1S - 4,2±0,11 4,71±0,15 4,1±0,1б 3,1±0,25

900 2 - 2,8 З,20±0,15 З,71±0,17 З,9±0,17 3,0±0,35

З - 2,5 З,0±0,71 З,5±0,11 З,З±0,19 2,8±0,2

При увеличении плотности посадки годовиков карпа с 4,1 до 8 тыс. экз/га количество бактерий в воде увеличилось на 15—30% (V зона).

В опытных прудах наибольшая численность бактериопланктона в основном приходилась на V—III эколого-климатические рыбоводные зоны в период наиболее высокой температуры воды и интенсивного фагирования карпа искусственно приготовленными трофами. В удобренных и произвесткованных прудах количество бактерий в планктоне в этот период оказалось в 1,1—1,3 раза больше, чем в неудобренных (табл. 2), причём в прудах с большим количеством рыбы пик развития бактерий был больше на 10—24%. В I—II зонах с прохладным климатом численность бактериопланктона меньше в 1,4—1,5 раза. Время генерации бактерий в прудах колебалось в пределах 5,3—153,2 час, продукция — 132,5—2352,5 тыс. клеток/мл в час, и зависело в основном от температуры воды и количества органического вещества. Наиболее высокая скорость размножения бактерий наблюдалась в июле — августе, в V, IV и III зонах. Время генерации бактерий в июне было в 1,7—2,9 раза выше, чем в сентябре.

По нашим данным, первичное действие минеральных удобрений состоит в том, что они доставляют добавочное фагирование бак-териопланктону и этим способствуют его более сильному развитию.

Необходимость минерального удобрения возникает вследствие малого содержания биогенных элементов в воде.

Основные биогенные вещества — азот и фосфор. Содержание их в воде лимитирует развитие биологических ресурсов водоёмов. Следователь-

но, именно эти два элемента в водоёмах разного типа в подавляющем большинстве находятся в первом минимуме (табл. 2).

В них количество азота (кроме удобрения) ежегодно пополняется. Он поступает со стоками вод с водосбросных площадей в виде минеральных солей и неразложившихся органических остатков.

Значительную роль в пополнении азота играют сапрофитные бактерии. При этом азот белков частично выделяется в среду в виде аммонийного иона, частично идёт на построение тела бактерий.

Известкование и обработка ложа пруда улучшают условия минерализации органических веществ и способствуют аммонификации. Этот процесс идёт микробиологическим путём в результате жизнедеятельности нитрофицирующих бактерий, которые поглощают ион аммония и окисляют аммонийный азот первоначально в трёхвалентную нитритную форму азота, а затем в пятивалентный азот нитратов. Первая фаза вызывается нитритными микробами. №-1готопа8, вторая — нитратным — №1гоЬас1ег. При этом освобождается некоторое количество энергии, которую бактерии способны использовать в процессе своей жизнедеятельности.

Общее содержание соединений азота в водоёмах резко колеблется — от десятичных долей до 2—3 мг/л. Во многих случаях повышенное содержание общего азота связано с наличием в воде азотной кислоты (нитратов) минерального происхождения после удобрения.

В воде фосфор содержится в виде солей фосфорной кислоты и органических соединений.

2. Среднее содержание минерального фосфора и азота по эколого-климатическим зонам, мг/л

Показатель Время года В среднем за вегетационный период

весна лето осень

I зона

Аммонийный азот 0,3 0,71 0,86 0,62

нитраты 0,68 1,41 1,4 1,16

нитриты 0,005 0,005 0,014 0,011

фосфаты 0,35 0,41 0,53 0,43

II зона

Аммонийный азот 0,31 0,74 0,71 0,59

нитраты 0,54 1,91 0,97 1,14

нитриты 0,016 0,051 0,02 0,029

фосфаты 0,31 0,43 0,211 0,38

III зона

Аммонийный азот 0,81 1,4 0,93 1,05

нитраты 1,42 2,37 2,01 1,93

нитриты 0,031 0,04 0,035 0,035

фосфаты 0,64 0,72 0,65 0,67

IV зона

Аммонийный азот 0,51 1,49

нитраты 0,43 2,61 0,79 1 95 0,93 1 99

нитриты 0,037 0,045 0,039 0,068

фосфаты 0,51 0,81

V зона

Аммонийный азот 0,74 2,15 0,81 1,25

нитраты 1,95 2,41 1,91 2,09

нитриты 0,040 0,045 0,035 0,04

фосфаты 0,71 0,75 0,67 0,71

Основным источником пополнения фосфора в водоёмах (кроме удобрений) является сток воды с удобряемых полей водосборной площади (табл. 2).

В фосфоре нуждаются азотофиксаторы, благодаря специфическим особенностям обмена веществ. Среди водных бактерий это аэробные Azotobacter и факультативные анаэробные бактерии Clostridium pasterianum. Поэтому, когда есть благоприятные условия для их развития, не хватает фосфора, добавление его в виде удобрения усиливает развитие азотофиксаторов и повышает скорость фиксации азота.

Недостаточная изученность круговорота биогенных элементов не позволяет овладеть сложными экологическими явлениями и уверенно направлять их воздействие на увеличение биологических ресурсов водоёмов.

Внося минеральные удобрения, мы стремились увеличить биологическую продуктивность водоёмов в определённый этап времени. Успешность этих попыток зависит от того, насколько хорошо мы знаем процесс, на который хотим воздействовать.

Следовательно, биоэкологические процессы требуют систематических и углублённых исследований, направленных на создание научно обоснованных представлений о закономерностях биотического круговорота биогенных элементов в водоёмах.

Несмотря на недостаточную изученность вопроса, а следовательно, и отдельных этапов

действия минеральных удобрений на биопродуктивность, проведённое комплексное исследование позволяет сделать некоторые общие выводы.

1. Нет серьёзных оснований полагать, что минеральные азотные удобрения при обычных, т.е. наиболее распространённых условиях, могут дать большой эффект без сочетания их с фосфорными удобрениями.

2. Этот вывод подтверждается изложенными выше результатами биологических испытаний на потребность воды водоёмов в удобрениях в количестве: N — 2 г/л; Р2О5 — 0,5—4 л.

3. Таким образом, комплексное исследование по применению смешанных азотно-фосфорных минеральных удобрений представляется вполне оправданным.

Литература

1. Акимов В.А. Общая численность микроорганизмов в воде рыбоводных прудов при интенсивном удобрении и кормлении рыб // Труды ВНИИПРХ. Т. 14. М., 1966. С. 70—78.

2. Кожаева Д.К., Казанчев С.Ч. Трофическая цепь водоёмов КБР. Методы и способы формирования конкурентных преимуществ. МАКБ. М., 2008. С. 97—100.

3. Харитонова Н.Н. Методические рекомендации по совершенствованию метода комплексной идентификации прудового рыбоводства УССР. Киев, 1975. С. 13—23.

4. Казанчев С.Ч., Кожаева Д.К. Биолого-экологическая характеристика пресных водоёмов КБР. Нальчик, 2011. 320 с.

5. Суховерхов Ф.М. Прудовое рыбоводство. М.: Изд-во с.-х. литературы, 1963. С. 316—317.

6. Баранов И.В., Францев А.В. Удобрение прудов. М.: Пище-промиздат, 1980. С. 1—24.

7. Винберг ГГ., Ляхновия В.П. Удобрение прудов // Пищевая промышленность. М., 1965. С. 171—192.

8. Кожаева Д.К., Казанчев С.Ч., Кожаева С.К. и др. Рекомендации по повышению и использованию биологических ресурсов водоёмов КБР. Нальчик, 2006. 29 с.

9. Разумов А.С. Микробиология водной экосистемы. М.: Наука, 1974. С. 45—55.