Влияние сельскохозяйственных удобрений на качество грунтовых вод

УДК38.61.17

Характер и степень влияния используемых удобрений на состав и качество грунтовых вод определены по анализу гидрогео-химических и агрохимических условий Предволжского региона Татарстана. Выявлено, что умеренное внесение удобрений не приводит к ухудшению качества грунтовых вод.

Ключевые слова: минеральные и органические удобрения, грунтовые воды, родники, загрязнение подземных вод.

В современном мире чрезвычайно значимыми являются проблемы качественного состояния окружающей среды, устойчивого развития, рационального природопользования [1]. Одним из факторов, вызывающих эти проблемы, является практически повсеместное использование разнообразных ядохимикатов и удобрений. Наиболее востребованными удобрениями являются азотные, фосфорные и калийные. Их использование может сопровождаться эвтрофизацией водоемов и ухудшением качества грунтовых вод [2].

Наиболее часто отмечаемым загрязнением подземных вод в сельскохозяйственных регионах является нитратное загрязнение с вариациями содержаний нитратов в грунтовых водах в пределах 1-3800 мг/дм 3 [3].

Интенсивность этого загрязнения определяется множеством факторов, которые можно объединить в две группы - агроклиматическую и геолого-гидрогеологическую.

Первая группа включает такие факторы, как величины доз используемых удобрений, их состав и свойства, тип почв и их агрохимические показатели, годовая сумма атмосферных осадков и др.

Основными факторами второй группы являются мощность зоны аэрации и состав слагающих ее пород, состав водовмещающих пород, а также химический состав и свойства природных подземных вод.

Величины доз необходимых удобрений обычно определяются из расчета баланса гумуса и биогенных компонентов. В большинстве случаев считается, что загрязнение подземных вод проявляется лишь при использовании избыточного количества удобрений. При этом оценки необходимого количества удобрений и масштаба возможного загрязнения природных вод не всегда бывают однозначными.

Обобщение обширного материала по районам интенсивного земледелия, проведенное Ф. И. Тютюновой [3], свидетельствует о том, что загрязнение подземных вод азотом удобрений и почв характерно для сельскохозяйственных регионов с высокогумусированными почвами, где дозы азотных удобрений (в пересчете на азот) составляют 100-500 кг/га на пахотных землях и 160-900 кг/га на лугах и пастбищах при степени вымывания азота в подземные воды в диапазоне 0,04-55%.

Расчеты баланса гумуса по Республике Татарстан (РТ) показывают, что ежегодные его потери с каждого гектара посевных площадей в среднем составляют 1800 кг, для покрытия дефицита гумуса необходимо ежегодно вносить на пашню навоз в количестве 8 т/га [4]. Здесь же отмечается, что даже при меньшей интенсивности его внесения возможно проявление сверхпредельного загрязнения водоисточников нитратами.

Таким образом, выявление характера и степени воздействия используемых удобрений на качество подземных вод представляет собой весьма актуальную задачу. При этом ее корректное решение на данный момент возможно лишь на основе анализа экспериментальных (полевых) данных.

Необходимость такого анализа во многом определяется тем, что грунтовые воды широко используются для хозяйственно-питьевого водообеспечения сельских населенных пунктов, а многие компоненты удобрений в составе подземных вод являются сильными токсикантами. Так, повышенные концентрации вышеупомянутых нитратов вызывают рак желудка и заболевания крови (метгемоглобинемия) [5].

Объекты и методы исследования

Объектом исследования стал Предволжский регион РТ, представляющий собой яркий пример интенсивного земледелия в средней полосе европейской России.

Он характеризуется хорошей геологической [6] и гидрогеологической [7-9 и др.] изученностью, а также постоянным агротехническим и агрохимическим мониторингом, проводимым государственным центром агрохимической службы «Татарский». Данный регион имеет площадь порядка 10 тыс. км 2 , численность населения здесь составляет около 185 тыс. человек, доля пашни в структуре земельных угодий - 60%, степень залесенности -12,5%.

Для поддержания плодородия почв в регионе используют как минеральные (действующие активные вещества - фосфор, азот, калий), так и органические (навоз) удобрения [4,10, 11 и др.]. С 1976 по 2004 гг. на посевные площади региона было внесено ~12 млн. тонн органических удобрений и ~0,24 млн. т действующего вещества минеральных удобрений, при этом наиболее активно они применялись в 1986-1995 гг. (таблица 1).

Таблица 1. Территориально-временное распределение масс удобрений, внесенных на гектар пашни (по административным районам Предволжского региона)

Средняя интенсивность внесения удобрений за отмеченные 29 лет варьирует по административным районам Предволжья в следующих пределах: для минеральных - 11,8-20 кг/га в год, органических - 0,6-1,0 т/га в год.

Грунтовые воды в регионе приурочены к комплексу средне-верхне-пермских, юрско-меловых и плиоцен-четвертичных отложений. Глубина залегания их уровня изменяется от первых метров в речных долинах до 30-40 м на основных водоразделах, пьезометрическая поверхность в сглаженной форме повторяет рельеф. Основным источником питания грунтовых вод является инфильтрация атмосферных осадков, а их разгрузка осуществляется эвапотранспирацией, многочисленными родниками эрозионного и контактового типов, субаквально в гидросеть и, в отдельных случаях, искуственным путем.

При преобладании природных факторов в формировании подземных вод их минерализация составляет 0,25-0,5 г/дм 3 , общая жесткость не превышает 7 ммоль/дм 3 , и они имеют в основном гидрокарбонатный магниево-кальциевый состав. В случае же влияния на состав грунтовых вод техногенных факторов, что отмечается преимущественно в пределах и окрестностях населенных пунктов, минерализация вод может достигать 1-1,8 г/дм 3 , общая жесткость - 20-40 ммоль/дм 3 , а среди анионов часто преобладают нитраты и хлориды.

Взаимосвязь между внесением удобрений и качеством грунтовых вод определялась на основе анализа количества и типа использованных удобрений, и особенностей состава грунтовых вод, массово опробованных в меженные периоды начала 2000-х годов.

Было проведено гидрогеологическое районирование территории с выделением 24 водосборных бассейнов, которые представляют собой достаточно изолированные в балансовом отношении гидрогеодинамические системы с едиными условиями формирования подземных вод на уровне разреза, расположенного выше основных базисов дренирования. Границами этих бассейнов являлись крупные речные долины (зоны основной разгрузки) и основные поверхностные водоразделы, которые в регионе являются и водоразделами подземных вод верхней части разреза.

Для каждого водосборного бассейна были рассчитаны параметры, отражающие количество и интенсивность внесения минеральных и органических удобрений, а также средние показатели состава грунтовых вод уржумских и северодвинсковятских отложений. Данные отложения пользуются максимальным площадным распространением в регионе. Они представлены незакономерным чередованием карбонатно-терригенных пестроцветных образований с преобладающей мощностью отдельных латерально невыдержанных прослоев 0,5-3 м, при этом среднее соотношение в разрезах водопроницаемых и слабопроницаемых пород обычно составляет 1:1.

Коэффициенты фильтрации водовмещающих пород (песчаники, известняки, доломиты) и образований зоны аэрации редко превышают 5 м/сут. Глинистые разности уржумско-вятских пород трещиноваты и не являются надежным фильтрационным и сорбционным барьером.

При выявлении гидрогеохимических особенностей подземных вод использовались лишь анализы родниковых вод, при этом все учтенные родники имеют нисходящий характер, и их водосборные площади представлены исключительно полевыми (посевными) участками, не испытывающими какого-либо техногенного воздействия, не считая возможного влияния сельскохозяйственных удобрений.

В дальнейшем средние величины гидрогеохимических и агрохимических показателей водосборных бассейнов анализировались статистическими методами.

Результаты и их обсуждение

Составы подземных вод приповерхностных частей уржумских и северодвинско-вятских отложений довольно устойчивы в пределах региона. Отмечается лишь слабый тренд роста минерализации в южном направлении, обусловленный, по всей видимости, природными факторами.

Рост минерализации грунтовых вод может быть связан с их частичным питанием водами, профильтровавшимися через мезозойские образования, а также влиянием почвенного слоя, мощность которого увеличивается в южном направлении с параллельным возрастанием роли черноземов. В поведении же параметров удобрений подобной согласованности не отмечается, а вариации интенсивности внесения удобрений никак не отражаются на минерализации грунтовых вод.

Такой же результат получен по данным корреляционного анализа (таблица 2).

Таблица. 2. Корреляционные связи показателей состава грунтовых вод с параметрами удобрений

Среди показателей химического состава подземных вод значимо коррелирует с параметрами, отражающими интенсивность внесения удобрений, лишь перманганатная окисляемость, при этом данный показатель пока нигде не превышает предельно-допустимых значений для вод питьевого качества.

Таким образом, умеренное использование удобрений в агропромышленном комплексе не приводит к изменению состава грунтовых вод и не оказывает заметного влияния на их качество.

Выводы

Сложившийся в Предволжском регионе тип земледелия и сельскохозяйственного производства с достаточно умеренным использованием минеральных и органических удобрений не оказывает негативного воздействия на состав и качество грунтовых вод, которое для основного объема подземных вод наиболее верхней части разреза соответствует питьевому качеству. Ситуация может измениться при доведении объема внесения органических удобрений до 8 т/га в год, что, по оценкам специалистов агрохимической службы, необходимо для поддержания плодородия почв на территории Татарстана.

Литература:
1. Экология, охрана природы, экологическая безопасность / Под ред. А.Т.Никитина, С.А.Степанова. М.: Издво МНЭПУ, 2000. 648 с.
2. Питьева К.Е. Гидрогеохимические аспекты охраны геологической среды. М.: Наука, 1984. 218 с.
3. Тютюнова Ф.И. Гидрогеохимия техногенеза. М.: Наука, 1987. 335 с.
4. Нуриев С.Ш., Лукманов А.А., Нуриев И.С., Давлятшин И.Д. Экологические аспекты применения органических и минеральных удобрений в компонентах биосферы лесостепной зоны Республики Татарстан: материалы международной конференции в 3 т. / Нижегородская гос. сх академия. Н.Новгород: Издво ВВАГС, 2008. Т.3, С.65-69.
5. Зекцер И. С. Подземные воды как компонент окружающей среды. М.: Научный мир, 2001. 328 с.
6. Сводная геологическая карта доплейстоценовых отложений Республики Татарстан масштаба 1:200 000. Пояснительная записка. Казань: Изд-во «Арника», 1997. 118 с.
7. Подземные воды Татарии / Под ред. М.Е. Королева. Казань, Изд-во Казан. ун-та, 1987. 189 с.
8. Нуриев И. С., Мусин Р. Х. Ресурсы и условия формирования состава пресных подземных вод в Предволжском регионе Татарстана: Материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Часть 1: Водохозяйственные проблемы / под общ. ред. А.Я. Гаева, П.В. Пакратьева; Орен. ун-т; Перм. ун-т и др. Оренбург Пермь, 2008. C. 239-244.
9. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2005 г. / научн. ред. Н. П. Торсуев. Казань, 2006. 494 с.
10. Алиев Ш. А. Агрохимическая характеристика почв Республики Татарстан и мероприятия по повышению ее плодородия. Казань: Изд-во «Матбугат йорты», 2000. 32 с.
11. Гафаров Г.Я., Ахметшин З.З. Органические удобрения главный источник повышения плодородия почв // Агрохимический вестник. №4, 2000. С. 24-26.

The influence of agricultural fertilizers on the quality of ground water

The kind and the degree of influence of fertilizers being used on the composition and the quality of ground waterare determined by studying hydrogeochemical and agrochemical conditions of Povolzhsky region of Tatarstan. It is detected that moderate fertilization does not worsen the quality of ground water.

Keywords: mineral and organic fertilizers, ground water, springs, pollution of underground water.

Musin Rustam Hadievich, candidate of geological<mineralogical Sciences, associate Professor of General Geology and hydrogeology, Kazan state University. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Nuriev Ildar Sayakhovich, lecturer, Department of General Geology and hydrogeology, Kazan state University. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
420008, Russia, Republic of Tatarstan, Kazan, Kremlin street, 18.

Журнал «Вода Magazine», №2 (126), 2018 г.