Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 355-367

ВВЕДЕНИЕ

Отсутствие детальных знаний о генезисе негативной гидроэкологической ситуации, сложившейся в лесостепной зоне Русской равнины, в том числе вследствие неконтролируемого диффузного (рассредоточенного по территории) поступления в реки и водохранилища биогенных элементов – соединений азота и фосфора, существенно осложняет разработку эффективных водоохранных мер.

Оценке выноса биогенных элементов в водные объекты с их водосборов посвящено большое число исследований. Вместе с тем, в них не в полной мере учтены существенные современные изменения климата и хозяйственной деятельности. Кроме того, рассмотрена в основном лишь фаза весеннего половодья (Назаров, 1996; Хрисанов, Осипов, 1993; Чернышев и др., 1992; Шилькрот, Ясинский, 2002; Ясинский, Гуров, 2006 и др.), когда поступление в речную сеть биогенных элементов осуществляется преимущественно с поверхностным склоновым стоком. Другие пути их миграции с водосборов, в том числе с подземным стоком, обычно не анализируются, априори полагается, что их вклад незначительный. Однако неучитываемая часть выноса с подземной составляющей стока в остальные сезоны может составлять значительную величину, особенно в связи с изменением климата (Долгов, Коронкевич, 2019).

В настоящее время остаются недостаточно изученными не только пути миграции биогенных элементов в водные объекты, но и вклад различных природных и антропогенных факторов в их поступление на водосборную площадь и вынос в гидрографическую сеть, а также происходящие за последние годы (начиная с 1990-х годов) изменения. Кроме того, состояние экосистем водных объектов недостаточно детально увязывается с изменениями ландшафтной структуры их водосборов. Более полные знания о закономерностях вещественного обмена вод в системах “бассейн–река” могут быть получены исходя из представления о гидрологической ярусности речных бассейнов (Долгов, Коронкевич, 2010).

Цель исследования заключается в оценке роли современных изменений климатических и антропогенных факторов в формировании водно-биогенного баланса речных водосборов лесостепной зоны, в том числе в оценке весьма важной в экологическом отношении его составляющей – стока азота и фосфора.

Особенно актуальна такая задача для регионов, испытывающих интенсивную антропогенную нагрузку на водные объекты, в том числе со стороны сельского и водного хозяйства. К их числу относится Курская область, обладающая небольшими ресурсами местного стока, на ее примере выполнен основной объем данного исследования.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Методологической основой исследования служит географо-гидрологический метод, дополненный представлением о гидрологической ярусности речного бассейна, элементы которой (атмосферный приземный слой, растительность, поверхностный слой почвы, зоны аэрации и насыщения) по-разному трансформируют осадки в сток и по-разному изменяют их химический состав. Инструментом изучения вертикального гидрологического устройства территории служит элементная структура водного баланса (Коронкевич, 1990) и тесно связанного с ним водно-биогенного баланса (Долгов, Коронкевич, 2010, 2019).

Непосредственные наблюдения за элементами водно-биогенного баланса речных водосборов до настоящего времени не проводятся. Поэтому использовались опубликованные данные об отдельных источниках поступления биогенных элементов (Закруткин и др., 2004; Обзор…, 2016; Родин, Базилевич, 1965; Родин и др., 1968; Семыкин и др., 2019; Хрисанов, Осипов, 1993), анализировались результаты экспедиционных работ ИГ РАН.

В качестве исходной информации также использовались многолетние ряды наблюдений Росгидромета за водным стоком в 11 створах на реках Курской области. Анализировались как полный речной сток, так и поверхностная и подземная его составляющие. Подземный сток рассчитан путем расчленения гидрографов речного стока по видам питания. Поверхностная составляющая стока (включающая сток верховодки) определена по разности полного речного стока и подземного стока. В расчетах биогенного стока роль этих составляющих оценивалась как в отношении величины их водного стока, так и относительно содержания в них минерального азота и фосфора.

Поскольку наблюдения за содержанием биогенных веществ непосредственно в поверхностной составляющей стока не проводятся, оно определялось по уравнению:

в котором C_{поверх.ст.} – концентрация азота (фосфора) в поверхностной составляющей стока H_{поверх.ст.}, C_{подз.ст.} – концентрация азота (фосфора) в подземной составляющей H_{подз.ст.}, рассчитанная по их содержанию в реках в межень холодного периода, C_реч.ст. – концентрация азота (фосфора) в полном речном стоке H_реч.ст..

Для оценки выноса азота и фосфора с водным стоком обобщены гидрохимические данные Росгидромета за годы разной водности (1991, 1995, 1996 гг.) и результаты экспедиционного обследования рек (без учета р. Сейм). Средняя концентрация общего минерального азота и фосфора в речных водах Курской области в период половодья наибольшая – 1.81 и 0.16 мг/л соответственно. В маловодный сезон теплого периода она значительно снижается – до 0.91 и 0.13 мг/л соответственно, концентрация возрастает затем в маловодный сезон холодного периода до 1.66 и 0.12 мг/л.

Недостающая информация восполнена результатами химического анализа проб атмосферных осадков, речных и грунтовых вод, отобранных в ходе экспедиционных работ ИГ РАН в 1997, 1998, 2017, 2018, 2020 гг. в половодье, летне-осеннюю и зимнюю межень. В связи с недостаточностью режимных наблюдений Росгидромета при экспедиционном обследовании особое внимание уделено малым рекам, находящимся в условиях интенсивного, преимущественно сельскохозяйственного воздействия.

Возможность обогащения биогенными элементами атмосферных осадков в различных ландшафтах оценивалась по водным вытяжкам из образцов растений, почв и грунтов зоны аэрации (при фиксированных параметрах: соотношении их твердой фазы с дистиллированной водой 1 : 100, 30-минутном контакте и температуре 25°C). Полученные в лабораторных условиях данные характеризуют возможную (потенциальную) активность поверхности почвы насыщать биогенными элементами атмосферные осадки. В реальных условиях содержание биогенов в образующихся поверхностно-почвенных водах в значительной мере зависит от сочетания этих параметров.

Химический анализ водных вытяжек, проб поверхностных и подземных вод выполнен с помощью портативного спектрофотометра DR/2010 фирмы “HACH” во время экспедиционных работ и в Институте биохимической физики РАН (ИБХФ РАН).

Содержание биогенных элементов определялось фотометрическим методом в соответствии с ГОСТ 33045–2014: ионов аммония с использованием реактива Несслера, нитритных ионов с использованием реактива Грисса. Концентрация нитратных ионов определялась с предварительным восстановлением кадмием до нитритов по методике, аттестованной ВНИИМС (свидетельство об аттестации № 16-09 от 4 мая 2009 г.). Содержание минерального фосфора оценивалось по методу определения ортофосфатов и полифосфатов с использованием аскорбиновой кислоты (ГОСТ 18309-2014).

Значительный объем исходной информации представлен результатами многолетних наблюдений Росгидромета за температурой воздуха и атмосферными осадками (данные ВНИИГМИ –МЦД), а также материалами наблюдений за поверхностным склоновым стоком на Новосильском стационаре ВНИАЛМИ (Барабанов, 2017; Барабанов и др., 2018). Кроме того, анализировалась данные Росреестра и Росстата об использовании земельного фонда Курской области.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Формирование водно-биогенного баланса речных водосборов тесным образом связано с их ландшафтной неоднородностью не только в плане, но и в вертикальном направлении, не менее важном для изучения источников поступления и путей миграции биогенных элементов в речную сеть.

Особенности гидрохимического функционирования элементов гидрологической ярусности речных бассейнов. Расчеты показали, что уже с атмосферными осадками на речные водосборы привносится весьма существенное количество биогенов. Если судить по репрезентативным наблюдениям метеостанции им. Небольсина (31 км к юго-западу от центра Москвы) за 1958–1966 гг., то величина среднегодовой концентрации минерального азота в осадках составляет 1.05 мг/л (Ресурсы…, 1973). Тогда величина поступления биогенов с годовыми осадками оказывается достаточно высокой (азота минерального – 641 кг/км²).

Ежегодно возобновляемым источником поступления биогенов на речные водосборы является также растительность, в водных вытяжках из которой минерального азота и фосфора содержится значительно больше, чем из поверхностного слоя почв (рис. 1). Существенное влияние на миграцию биогенных элементов растительность оказывает даже в вегетационный период, в который осадки насыщаются минеральным азотом и фосфором при вымывании их не только из мертвых тканей растений (опада, подстилки), но и живых. В дождевом смыве из крон деревьев биогенов содержится нередко в разы больше, чем в самих осадках (табл. 1).

Важную роль в миграции биогенных веществ в реки с их водосборов играет поверхностный слой почв. В нем формируются поверхностный склоновый сток и инфильтрация атмосферных осадков, аккумулируются биогенные элементы, поступающие в результате их вымывания осадками из растений и минерализации остатков надземной и подземной частей растительности, почвенных водорослей, а также за счет фиксации азота из атмосферы почвенными микроорганизмами. Кроме того, в этом слое накапливаются биогены антропогенного происхождения, поступающие из производственных и бытовых отходов, мусорных свалок, минеральных удобрений и т.д.

Часть биогенных элементов вымывается из поверхностного слоя почвы с поверхностным склоновым стоком, другая часть мигрирует с фильтрующейся влагой в почвогрунты зоны аэрации. Достигая водоносных горизонтов в зоне насыщения, биогены могут накапливаться вследствие низкой скорости водообмена. По этой причине в грунтовых водах нередко обнаруживается более высокое содержание биогенных веществ, чем в речных водах – в среднем на 35–40% (рис. 2). В летне-осеннюю межень такой ситуации также способствует активное потребление биогенных элементов прибрежной водной растительностью и речным фитопланктоном.

Миграция биогенных элементов, особенно нитратов, в грунтовые воды возможна даже при большой мощности зоны аэрации (более 3–5 м). Это связано с тем, что, просачиваясь ниже 3–5 м от поверхности земли, осадки уже практически не испаряются и могут достигать грунтовых вод (Долгов, Коронкевич, 1999). О возможности миграции нитратов на значительную глубину свидетельствуют результаты полевых исследований в степной зоне (Агроценозы…, 1984; Закруткин и др., 2004). Вероятна также миграция фосфора минерального, на это указывает, например, его наличие в водных вытяжках из суглинистых почвогрунтов зоны аэрации на водосборе р. Бузулук в слое от 0 до 5 м (рис. 3).

Таким образом, каждый из вышеперечисленных слоев вертикальной гидрологической структуры речного бассейна обладает специфическими особенностями гидрохимического функционирования. Кроме того, свои коррективы вносит ландшафтная структура речного водосбора, обуславливающая пространственную неоднородность миграции биогенов с водным стоком, прежде всего, с поверхностной его составляющей.

Роль ландшафтной структуры территории в миграции биогенов с поверхностным склоновым стоком. На рассматриваемой территории преобладают сельскохозяйственные угодья. Полями с рыхлой к началу половодья почвой (зябью и черным паром) занято 45% площади Курской области. Доля угодий с уплотненной почвой (озимые, многолетние травы, пастбища, залежи) – 26.7%. На земли лесного фонда и лесные насаждения, не входящие в лесной фонд, приходится 9.6%, на урбанизированные территории с высоким коэффициентом стока (земли застройки, промышленности, под дорогами) – 5.9%, на гидрографическую сеть – 12.8% территории.

Ландшафтная неоднородность территории начинает сказываться на содержании биогенных элементов в поверхностном склоновом стоке и инфильтрации уже в начальной стадии их формирования. Существенное влияние оказывает территориальная дифференциация растительности. В лесных массивах поверхностный склоновый сток небольшой, нередко даже отсутствует, вынос биогенов осуществляется главным образом в процессе инфильтрации и далее со стоком верховодки и с подземным стоком (Долгов, Коронкевич, 2019).

В лесу снег к началу весеннего половодья обогащен биогенами нередко больше, чем на открытых полевых участках. Так, результаты химического анализа 19 образцов снега, отобранных в Курской области 26–29 января 2018 г., показали, что более высокое содержание минерального азота и фосфора наблюдается в снежном покрове на участках с лесной растительностью (соответственно 1.47 и 0.021 мг/л), чем на открытых полевых и луговых участках (1.35 и 0.020 мг/л).

К наиболее важному региональному фактору антропогенного преобразования ландшафтов относится растениеводство. Площадь посевов в Курской области к 1980 г. достигла 1957 тыс. га (пашня – 2044.7 тыс. га). Затем она уменьшилась в 1990 г. до 1855.4 тыс. га (пашня – 1970.8 тыс. га). В связи с экономическим спадом к 2010 г. посевная площадь значительно сократилась – на 31% по отношению к уровню 1980 г. (пашня – на 23%). Впоследствии она постепенно восстанавливалась и составила в 2018 г., как и пашня, 83% от уровня 1980 г. Структура посевной площади с 1980 г. практически не изменилась. Доля уплотненной пашни к началу весеннего половодья почвы по-прежнему составляет 31–32%.

Сокращение площади пашни (при практически не изменившейся ее структуре) способствовало снижению формирующегося на ней объема поверхностного склонового стока – на 18–24% относительно уровня 1980 г. (рис. 4). Однако выводимые из севооборотов площади представляют собой уплотненную почву, с более высоким коэффициентом стока, чем поля с осенней вспашкой. Приняв посевную площадь 1980 г. за основу, можно для большей части территории Курской области (69%) оценить динамику совокупного влияния на объем поверхностного стока сохранившейся структуры посевов и выведенных из севооборота площадей.

Расчеты показали, что в результате уменьшения площади пашни объем весеннего поверхностного склонового стока (с ее площади 1980 г.) должен был увеличиться в последнее десятилетие на 9–12%. Однако изменения сельского хозяйства и климата на современном этапе действуют на весенний поверхностный склоновый сток разнонаправленно. Причем вклад климатической составляющей в изменения склонового стока преобладает и составляет около 85% (Барабанов и др., 2018). В результате климатические изменения привели к противоположной тенденции – значительному сокращению поверхностного склонового стока и выноса с ним биогенов.

На посевной площади такой тенденции способствовало также снижение уровня использования удобрений. Особенно значительно сократилось применение минеральных удобрений в конце 1990-х годов – до 10% от уровня 1990 г. Если судить по водным вытяжкам, то в эти годы минеральным азотом обогащались талые и дождевые воды, прежде всего, на залежах (в среднем на 20% больше, чем на пашне) (Закруткин и др., 2004). В самые последние годы использование удобрений существенно возросло (в Курской области достигло 84% от уровня 1990 г.), но по-прежнему с единицы площади залежей в поверхностно-почвенные воды биогенов поступает больше, чем с единицы площади пашни (на 8% по минеральному азоту и 33% по фосфору) (табл. 2).

Из результатов гидрохимического обследования почв, выполненного ИГ РАН и ИБХФ РАН 18–25 июля 2020 г., следует, что в наибольшей степени насыщаются атмосферные осадки в широколиственных лесах, а в наименьшей – в сосняках (см. табл. 2).

Вынос биогенов с поверхностным стоком обусловлен не только ландшафтной структурой речного водосбора, но и влиянием климатических факторов, роль которых в последние десятилетия значительно возросла.

Влияние климатических факторов на вынос биогенов с водным стоком двоякое. С одной стороны этими факторами обусловлена концентрация биогенных веществ в водном стоке, а с другой – его величина. Для изучения гидрохимической роли отдельных климатических факторов особый интерес представляют лабораторные экспериментальные исследования, позволяющие исключить влияние других факторов.

К числу основных климатических факторов относится температура воздуха и соответствующая ей температура образующихся поверхностно-почвенных вод. Из лабораторного эксперимента следует, что с ростом температуры от 1 до 35°C при одной и той же величине осадков минерализация (вероятно, и содержание нитратов) в поверхностном склоновом стоке и просачивающейся в зону аэрации влаги может увеличиваться почти в 2 раза.

Концентрация биогенных веществ в поверхностно-почвенных водах обусловлена и продолжительностью контакта осадков с почвой. Особенно быстрое насыщение осадков солями и биогенами наблюдается в течение 30 мин от начала контакта (рис. 5), а не столь резко выраженное может продолжаться до 3–4 сут. Затем наступает равновесное состояние между жидкой и твердой фазами, и концентрация стабилизируется. Такая же ситуация отмечается по отношению к показателю pH (отсюда следует, например, вывод, что черноземная почва может достаточно быстро нейтрализовать кислотные осадки).

Помимо этих параметров содержание биогенов в образующихся растворах поверхностно-почвенных вод существенно зависит от величины осадков. Из полученной в лабораторных условиях зависимости (рис. 6) следует, что в годы с низкой увлажненностью осадками концентрация биогенов в поверхностном стоке с водосборной площади может возрастать в разы по сравнению с многоводными годами и значительно изменяться внутри года, достигая максимальной величины при небольших осадках.

Оценка регионального эффекта изменения климата за 2008–2016 гг. показала, что в многолетней динамике годовых осадков, осадков за холодный (ноябрь–март) и теплый (апрель–октябрь) периоды отчетливо выраженные тренды отсутствуют. Отмечается небольшой рост осадков холодного периода (на 11% относительно нормы по состоянию на 1980 г.), а осадки теплого периода, напротив, уменьшились (на 4%).

Наиболее важным фактором стало увеличение температуры воздуха, изменение которой сказывается не только на содержании биогенов в образующихся поверхностно-почвенных водах, но и на степени участия поверхностной и подземной составляющих стока в миграции биогенов. С 1981 по 2017 г. рост температуры за холодный период составил 1.7°C, за теплый период – 1°C. Причем в ближайшей перспективе выявленные тенденции в многолетнем ходе температуры воздуха, скорее всего, сохранятся, поскольку в десятилетие 2008–2017 гг. рост температуры не только не замедлился, но даже ускорился. Относительно нормы по состоянию на 1980 г. температура возросла в холодный период на 2.5°C, в теплый период – на 1.9°C.

Увеличение температуры в холодный период привело к уменьшению глубины промерзания почвогрунтов и к участившимся оттепелям, во время которых значительная доля талых вод стала расходоваться не на образование поверхностного стока, а на инфильтрацию в зону аэрации. Характерной тенденцией с начала 1980-х годов стало увеличение величины инфильтрации (на 13–16% за весь холодный период года, включая половодье) и резкое снижение величины весеннего поверхностного склонового стока (69% на уплотненной почве и 77% на рыхлой пашне) (Барабанов и др., 2018а) и речного стока в период весеннего половодья.

По этой причине, а также вследствие увеличения испарения в теплый период, годовой речной сток в Курской области за 2008–2016 годы существенно сократился – на 30–40% (средневзвешенный по площадям водосбора 8 рек по отношению к норме, по К.П. Воскресенскому) (Воскресенский, 1962). При этом поверхностная составляющая значительно уменьшилась и составляет в среднем 29 мм (35% от величины годового стока), а подземная, напротив, возросла до 54 мм (65%). Соответственно, снизилась роль поверхностной составляющей в миграции биогенных веществ, а подземной, напротив, выросла. Вклад в этот процесс поверхностного стока (в основном стока верховодки) с речных водосборов остается наибольшим в период весеннего половодья (27% от величины годового стока) (рис. 7). Миграция биогенов с подземным стоком происходит главным образом в межень теплого периода (27%) и холодного периода (25%).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на благоприятное в гидроэкологическом отношении географическое положение Курской области и сокращение объема сточных вод, состояние водных ресурсов в последние годы остается далеким от экологического благополучия, в том числе в отношении содержания биогенов. Негативной гидроэкологической ситуации способствовало усиление с начала 2000-х годов антропогенной нагрузки – роста урбанизированных территорий, дорожно-транспортной сети и др.

Вместе с тем увеличение в последние годы количества вносимых минеральных удобрений не может рассматриваться в качестве основного негативного гидроэкологического фактора, поскольку оно компенсировано еще большей величиной выноса биогенов с урожаем. Кроме того, весенний поверхностный склоновый сток значительно сократился, соответственно снизился вынос с ним биогенных веществ.

В последние десятилетия вследствие потепления климата наблюдаются кардинальные изменения в формировании водного и водно-биогенного баланса в лесостепной зоне. Они не имеют аналогов за весь период инструментальных наблюдений. Особенно это касается значительно возросшей роли инфильтрации и подземного стока в миграции с водосборов биогенных и других химических элементов. Доля подземной составляющей стока в суммарном годовом выносе азота с речных водосборов стала преобладать над поверхностной составляющей. Однако такие климатические изменения в структуре диффузного стока биогенных элементов не привели к улучшению гидроэкологической ситуации, поскольку дренируемые реками подземные воды нередко содержат эти элементы в большей концентрации, чем поверхностные.

Существенное негативное влияние на состояние речных вод оказывает недостаточно эффективная работа природо- и водоохранных органов, особенно по предотвращению загрязнений прибрежных участков многих рек (в том числе в пределах водоохранных зон) производственными и бытовыми отходами, мусором и т.д. Практически отсутствует экологический контроль над сельскохозяйственной деятельностью в многочисленных личных подсобных хозяйствах, находящихся вблизи от рек. Остается неконтролируемым диффузное поступление загрязняющих веществ в реки с их водосборов, которое значительно преобладает над их поступлением со сточными водами.

Полученные результаты носят ориентировочный характер. Более детальный анализ элементов водно-биогенного баланса речных бассейнов, как расходной его части, так и приходной – предмет дальнейших исследований.