ВЛИЯНИЕ ВЫСОТНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ВОДОСБОРОВ НА МИГРАЦИЮ БИОГЕНОВ В РЕКИ СТЕПНОЙ И ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОН РУССКОЙ РАВНИНЫ
INFLUENCE OF CATCHMENT ALTITUDE-SPATIAL STRUCTURE ON THE BIOGENIC ELEMENTS MIGRATION TO THE RIVERS IN THE STEPPE AND FOREST-STEPPE ZONES OF THE RUSSIAN PLAIN
С.В. Долгов, Е.А. Кашутина
S.V. Dolgov, E.A. Kashutina
Институт географии РАН (Россия, 119017, Москва, Старомонетный пер., 29)
Institute of Geography, Russian Academy of Sciences (Russia, 119017, Moscow, Staromonetny pereulok, 29)
e-mail: hydro-igras@yandex.ru
Предложены методические подходы к оценке влияния высотно-пространственной структуры речных бассейнов на вынос биогенов в русловую сеть. Обобщены результаты экспедиционных исследований в лесостепной и степной зонах Русской равнины. Выявлены зонально-ландшафтные особенности влияния атмосферных осадков, растительности, поверхностного слоя почв, грунтовых вод на миграцию биогенов в реки на пути от плакорно–приводораздельного к пойменному поясу.
Methodical approaches to the assessment of the influence of the river basins altitude-spatial patterns on the biogen washing out into the channel network are proposed. The results of field studies in the forest-steppe and steppe zones of the Russian Plain are generalized. Zonal and landscape features of the atmospheric precipitation, vegetation, soil surface and groundwater impact on the biogen migration from the flat interfluve to the floodplain are revealed.
Несмотря на позитивную динамику за последние десятилетия ряда гидроэкологических показателей, в том числе снижения водоемкости хозяйственной деятельности, снижения объема сбрасываемых сточных вод и др., адекватного улучшения качества воды в реках степной и лесостепной зон Русской равнины не наблюдается. Более того, результаты экспедиционного обследования речных вод свидетельствуют даже о существенном увеличении за последние 20 лет содержания в них биогенов (соединений азота и фосфора), относящихся к основным загрязняющим веществам. Повышенное их содержание, не соответствующее экологическим нормативам, часто приводит к существенному ухудшению экологических свойств речных вод, развитию процессов эвтрофирования и к другим негативным последствиям. Нередко весьма высокое содержание биогенов наблюдается также в подземных водах, используемых для хозяйственно-питьевых целей в сельской местности.
Причины неудовлетворительного состояния водных ресурсов остаются в значительной мере неизвестными. В то же время, без достаточно детальных знаний о генезисе сложившейся негативной гидроэкологической ситуации, не представляется возможной разработка эффективных мер по улучшению состояния водного элемента окружающей среды.
Поступление биогенов в речную сеть происходит как из естественных источников – с атмосферными осадками, из лесных и нераспаханных участков и др., так и вследствие воздействия источников антропогенного происхождения (сельскохозяйственные угодья, территории населенных пунктов и т. д.). Причем, если локальные (точечные) источники биогенного загрязнения рек подвержены контролю со стороны природоохранных органов, то рассредоточенные по территории источники практически остаются вне внимания. Они приводят к так называемому диффузному загрязнению биогенами водных объектов, недостаточно изученному вплоть до настоящего времени.
Под диффузным (площадным) загрязнением водных объектов понимается поступление с их водосборов со склоновым поверхностным и подземным стоком химических веществ антропогенного происхождения в количестве, превышающем природное фоновое, и существенно ухудшающим качество воды и условия функционирования водных экосистем.
Ранее выполненные гидрохимические исследования характеризуют в основном плановую ландшафтную структуру территории. Однако неоднородность речного бассейна выражается не только в плане, но и в вертикальном направлении, не менее важном для изучения процессов миграции биогенов в речную сеть. Именно по вертикали наблюдается наибольшая их изменчивость. Даже на равнинной территории существует большое разнообразие надземных и подземных ярусов и слоев [2]. К основным слоям речного бассейна относятся атмосферная зона, растительность, поверхностный слой, зона аэрации и зона насыщения. Они по-разному трансформируют осадки в сток и по-разному изменяют их химический состав.
Наиболее общим выражением вертикальной стратификации речного бассейна является элементная структура водного и вещественного баланса. Она закономерным образом (в зависимости от конкретных природных условий и характера антропогенных воздействий) изменяется на пути от плакорно-приводораздельного пояса к склоновому и террасовому и далее к пойменному поясу.
Цель исследований заключается в оценке влияния различных элементов высотно-пространственной структуры речных бассейнов на миграцию биогенов в реки лесостепной и степной зон Русской равнины.
К сожалению, до настоящего времени наблюдения за миграцией биогенов во всех слоях речного бассейна и на всем пути – от водораздела до русла не проводятся. Поэтому методическая особенность исследований заключалась в попытке использовать подходы, принятые в геохимии.
Отсутствие наблюдательной сети компенсировалось анализом водных вытяжек из травянистых дикорастущих и сельскохозяйственных растений, лесной и степной подстилки, почв и грунтов зоны аэрации. Возможные потери химических веществ из отобранных образцов растений и почв оценивались с помощью вытяжек дистиллированной водой. По своим свойствам она близка к осадкам. На каждую из вытяжек использовалось 500 мл воды. Время контакта с водой для всех образцов ограничивалось 30-ю минутами. Определение каждого компонента химического состава вытяжек производилось на спектрофотометре HACH DR/2010 (США) или с помощью иономера НПП «Эконикс» (Россия). Результаты водных вытяжек сопоставлялись с результатами химического анализа поверхностных и подземных вод. Основной объем полевых работ был выполнен в 2000-2010 гг. Они были продолжены в 2017 г. Всего было обследовано 235 рек и их водосборов.
Исследования показали, что особенности вертикальной структуры водосборов начинают сказываться на состоянии водных ресурсов уже в начальной стадии их формирования. Наименьшее содержание биогенов обычно наблюдается в дождевых водах и снеге. Причем в лесных массивах и лесопосадках снег к началу весеннего половодья обогащен биогенами обычно больше, чем на открытых полевых участках. В талых водах за счет контакта с почвой и, особенно, с растительностью, содержание биогенов резко увеличивается. В талых водах степи и лесостепи биогенов в среднем в 8 раз больше, чем в снеге.
В населенных пунктах выпадающие осадки могут существенно изменять свой химический состав даже при контакте с кровлей домов (табл. 1). Но в отношении обогащения биогенами особенно наиболее важную роль играет растительность и поверхность почвы. Далее их миграция происходит с поверхностным склоновым стоком и вниз по разрезу почвогрунтов зоны аэрации.
Таблица 1 Содержание биогенов (в мг/л) в некоторых элементах вертикальной гидрологической структуры в условиях сельского населенного пункта (бассейн р.Бузулук, степь, плакор, г.Новоаннинский, пробы воды отобраны через 1.5 часа после начала дождя 1 сентября 2017)
Ежегодно возобновляемым источником биогенов наряду с почвой является растительность. Причем наблюдается вымывание этих веществ осадками из живых тканей растений (см. табл. 1), а не только из мертвых (опада и подстилки). В водных вытяжках из растений биогенов содержится значительно больше по сравнению с поверхностью почв. Система “растительность-почва” в отношении миграции биогенов не является замкнутой. Часть биогенов, в том числе растительного происхождения, образующихся при минерализации азот- и фосфорсодержащих органических веществ, вымывается из почвы с поверхностным склоновым стоком, другая часть с фильтрующейся влагой достигает грунтовых вод и в них накапливается. Стекая затем в реки, они могут ухудшать их экологическое состояние, способствуя эвтрофированию. Однако биогенная нагрузка на реки не обусловлена именно сельскохозяйственными растениями. Например, такие широко распространенные растения как пшеница и ячмень, мало отличаются в гидрохимическом отношении от дикорастущих травянистых растений.На нисходящую миграцию биогенов в грунтовые воды указывает их наличие в почвогрунтах зоны аэрации (рис. 1). Наибольшее содержание биогенов характерно для грунтовых вод верхнего водоносного горизонта.
Для распределения биогенов в грунтовых водах по площади водосборов характерно то, что в направлении от плакоров к склонам и террасам содержание биогенов несколько уменьшается (по бассейну Дона в целом - на 5%). Обусловлено это, по-видимому, увеличением уклонов свободной поверхности грунтовых вод и скорости горизонтальной фильтрации на таких участках. То есть, биогены в основном аккумулируются в грунтовых водах на плакорах. Далее, в грунтовых водах пойм концентрация биогенов резко увеличивается (на 53%). Наибольшее содержание биогенов, особенно аммонийного азота и фосфатов, характерно для грунтовых вод в поймах степных рек. В этом заключается одна из существенных причин их эвтрофирования.
Интересно, что подземные воды после дренирования их реками приобретают все же другое качество. В реках биогенов становится значительно меньше, чем в грунтовых водах. Особенно характерно это для нитратов. Объясняется это тем, что биогены активно потребляются прибрежной водной растительностью и речным фитопланктоном. То есть, осуществляется биотическая регуляция химического состава речных вод.
Интересно также и то, что при современном, меньшим по сравнению с концом 1980-х гг., уровне внесения удобрений, минеральным азотом обогащаются талые и дождевые воды, прежде всего, на нераспаханных целинных участках и залежах, особенно в поймах. Например, вынос азота из поверхностного слоя каштановых почв на целинных участках и залежах почти на 19% больше, чем из истощенных почв под сельскохозяйственными культурами. Для черноземов эта разница несколько больше, возрастает до 21%. Вследствие низкой миграционной активности фосфора разница в потерях из почв нераспаханных и занятых сельскохозяйственными культурами выражена слабо.
На содержании биогенов в реках сказывается и физико-географическая зональность. От лесной зоны к сухим степям биогенный показатель состояния речных вод (рассчитанный по среднему превышению ПДК нитратами, нитритами, аммонием и фосфатами, помноженному на частоту превышения), значительно возрастает – от 0.1 до 3.1, а состояние речных вод ухудшается.
Подчиняются физико-географической зональности и грунтовые воды. Биогенов в грунтовых водах на плакорах в степи содержится существенно больше, чем в лесостепи - примерно на 20%. Причем грунтовые воды, в отношении миграции биогенов, нередко оказывают негативное влияние на состояние рек и используются для питьевых целей. Особенно острая гидроэкологическая ситуация сложилась в степных сельскохозяйственных районах.
Из результатов гидрохимических исследований следует, что биогены мигрируют в речную сеть не только с поверхностным склоновым стоком, но и с подземным стоком. Особенно важно учитывать подземную составляющую в выносе биогенов с речных водосборов в связи с увеличившейся инфильтрацией в холодный период года (включая период весеннего половодья) талых вод в зону аэрации [1] вследствие участившихся оттепелей в последние годы.
Роль поверхностного склонового стока, рассматриваемого во многих публикациях в качестве основного фактора выноса биогенов в водные объекты [3-5 и др.], хотя и остается весьма важной, но существенно снизилась, начиная с середины 1990-х гг. В отдельные годы весенний поверхностный сток был даже близок к нулю [1]. Причем склоновый сток под влиянием климатических изменений уменьшился бы еще в большей мере, если бы не компенсирующее влияние со стороны антропогенного фактора. Так, в последние годы в структуре посевной площади значительно выросла доля уплотненной пашни, занятой в основном озимыми культурами. Сток с уплотненной пашни существенно выше, чем с рыхлой пашни под зябью и паром.
Изучение процессов формирования качества водных ресурсов на основе учета особенностей высотно-пространственной структуры речных бассейнов представляется одной из важнейших задач ландшафтной гидрологии. В связи со слабой изученностью этих процессов весьма важным является возобновление работы воднобалансовых стационаров на речных водосборах на обновленной методической основе. Многие из них в 1990-е гг. были закрыты или работают по существенно сокращенной программе.
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ № 18-05-00479, а также в рамках Госзадания № 0148-2018-0004.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: