Управление использованием органических отходов в сельском хозяйстве на региональном уровне (13.09.2010)

Автор: Тиньгаев Анатолий Владимирович

Третья глава посвящена совершенствованию и разработке моделей прогнозирования влияния органических отходов на агрохимические свойства почв сельскохозяйственных угодий.

Вместе с отходами в почву поступает органическое вещество, которое увеличивает содержание органического вещества почвы, определяющее как эффективное, так и потенциальное ее плодородие.

Моделированием запасов гумуса и его динамики в почве занимались многие российские и зарубежные ученые (Костычев 1886; Бирштейн 1911; Иенни 1948; Wildung et al. 1975; Smith 1979a; 1979b; Bunnel et al. 1977; Hunt 1977; Smith 1979; Гильманов 1978; Базилевич, Гильманов 1985; Образцов 1990, Минеев 1990; Тейт 1991; Малкина-Пых, Пых 1994; Балаев, Петренко 1999; Гайдаш 1999; Groenendijk 1999; Шевчук 2007; Голованов 2007 и др.).

Существующие модели прогнозирования запасов гумуса в почве не в достаточной степени отражают процессы формирования и гумусонакопления в системе «органические отходы – почва - растение». Автором усовершенствована модель А.И. Голованова, в которой, наряду с процессами гумификации внесенного органического вещества, учитывается накопление органического вещества, которое на данный момент времени не подверглось гумификации. Это представляется очень важным моментом, так как позволяет обосновывать периодичность и нормы внесения отходов, не допуская ухудшения свойств почв и загрязнения подземных вод.

Первое дифференциальное уравнение модели характеризует изменение запаса гумуса за счет гумификации органических отходов и растительных остатков, а также учитывает потери гумуса. Второе и третье уравнение, соответственно, учитывают изменение содержания в почве органического вещества, органических отходов и растительных остатков, не подвергшихся разложению.

где G- запас гумуса в почве, т/га; Gорг – содержание в почве органического вещества органических удобрений не подвергшихся разложению (т/га), т/га; Gраст -содержание в почве органического вещества растительных остатков не подвергшихся разложению (т/га), т/га; kгумо – изогумусовый коэффициент органических отходов, год-1 (Лозье, Матье, 1998); kмино - коэффициент минерализации органических отходов, год-1 (Лозье, Матье, 1998); P – норма внесения органических отходов, т/га за год; kгумр - коэффициент гумификации растительных отходов, год-1(Васильев, 1984); kминр - коэффициент минерализации растительных отходов, год-1 (Васильев, 1984); R – выход органического вещества растительных остатков, т/га за год; Bмин- коэффициент минерализации гумуса, за период; Вэр – коэффициент потери при эрозии, за период; Gфиз – физические потери гумуса т/га, за год (Голованов, 2007).

Gфиз можно оценить, зная его содержание в почвенном растворе, куда переходит наиболее подвижная часть гумуса в виде фульвокислот (Голованов, 2008):

Gфиз = 0,01gСг, т/(га?год), (5)

где g – ежегодная промываемость почвы, мм; Сг – растворимость гумуса, кг/м3.

Коэффициент «В» учитывает разложение или минерализацию гумуса (Вмин), а также его потери при эрозии (Вэр) (Голованов, 2008):

В = Вмин + Вэр, год-1 (6)

Коэффициент минерализации гумуса на сельскохозяйственных угодьях зависит от типа почвы.

Коэффициент Вэр связан с интенсивностью эрозии (Голованов, 2008):

Вэр = 0,0001Wэр/(?h), (7)

где W – масса удаленной почвы, т/га в год; ? – плотность почвы, т/м3; h – слой удаленной почвы, м. По данным А.И. Голованова, коэффициент Вэр для слабо эродируемых почв равен 0,00125 год-1, для средне эродируемых - 0,00417 год-1, сильно эродируемых - 0,00833 год-1.

Для прогнозирования запасов накопления гумуса в почве при использовании органических отходов в качестве удобрений было разработано программное обеспечение. Адекватность модели проверялась на лугово-черноземных почвах Рубцовского района при внесении осадка сточных вод ежегодной нормой 20 т/га. Осадок сточных вод вносили с 1993 по 1996 год. В 1999 году проводили исследования по изменению запаса гумуса в почвенном слое. Почвы среднемощные слабогумусированные среднесуглинистые. Плотность сложения пахотного горизонта составляла 1,17 г/см3. Пористость верхних горизонтов более 50%, максимальная гигроскопичность изменяется в пределах 5,2–7,2%, а наименьшая влагоемкость – 19,8–24,2%. Валовое содержание азота, фосфора и калия в пахотном горизонте, составляли соответственно 0,28; 0,15 и 2,24%. Содержание подвижных форм азота, фосфора и калия - 21,1; 168,4 и 403 мг/кг. Емкость поглощения – 27,8–28,4 мг-экв/100 г. Степень насыщенности основаниями высокая. Осадок сточных вод г. Рубцовска характеризовался содержанием органического вещества 51,7 %, азота общего – 0,92 %, фосфора общего – 0,43 %, калия общего – 0,84 %. По содержанию тяжелых металлов (хрома, свинца, меди, марганца) подсушенный ОСВ относится к 1-й группе в соответствии с ГОСТом Р17.4.3.07-2001– использование без ограничений; по содержанию цинка – ко 2-й группе и по содержанию никеля – к 3-й группе.

Сравнение расчетных запасов гумуса в почве с фактическими результатами агрохимических исследований показало, что коэффициент несходимости Тейла не превышает 25% для каждого из вариантов, что свидетельствует о достаточной адекватности разработанной модели.

Выполненный по модели прогноз запаса гумуса в почве при внесении осадка сточных вод ежегодно в течение первых 4-х лет показал увеличение гумуса до 7 года, затем наблюдается его снижение (рис. 6). В течение 4 лет в почве накапливаются негумифицированные отходы и происходит загрязнение почвы.

Рис. 6 Прогноз по запасу гумуса в почве Рубцовского района при использовании осадка сточных вод в качестве удобрений первые 4 года.

С целью соблюдения экологических требований был выполнен прогноз изменения запасов гумуса при периодическом внесении осадка один раз в четыре года нормой 20 т/га. Расчеты показали, что в этом варианте не произойдет накопление негумифицированного осадка сточных вод в почве и не произойдет её загрязнение.

Одной из важных оценок влияния отходов на почву и окружающую среду является динамика поступления тяжелых металлов и их миграция в почвенном профиле. При избыточном накоплении часть тяжелых металлов может перейти в растительную продукцию, что вызовет ее загрязнение.

Некоторые математические модели миграции представлены в работах А.С. Фрида, А.Б. Рубина, В.Г. Грановского, В.М. Прохорова, А.Н. Николаенко, И.В. Ефремова, Ю.А. Мажайского, Ю.А. Пыха, И.Г. Малкиной-Пых, В.Н. Башкина, С.В. Успенского, А.И. Голованова, S.R. Ramireddygari, R.S. Govindaraju, W. Reihera, L. Breuera, S. Xu и др.

Модели миграции тяжелых металлов можно условно разделить на группы: балансовые, статистические, модели конвективно-диффузионного переноса и вероятностные модели. Рассмотренные в работе существующие модели прогнозирования миграции тяжелых металлов в почве не достаточно полно отражают процессы накопления и миграции тяжелых металлов в системе «органические отходы – почва – грунтовые воды - растение». При использовании твердых и жидких органических отходов в почву поступают тяжелые металлы (ТМ) как в форме растворимых соединений, так в виде суспензий и нерастворимых соединений, закрепленных на поверхности гумусовых веществ, комплексных соединений с гумусом, гидратированными окислами алюминия, железа, марганца, а также в виде малорастворимых солей. Направленность и интенсивность процессов закрепления металлов в почве определяется характеристиками металлов, составом почвенного раствора, свойствами почвы, факторами внешней среды.

Автором предложена новая модель миграции в почве тяжелых металлов при использовании твердых и жидких органических отходов. В модели, наряду с конвективно-диффузионном переносом тяжелого металла в почвенном растворе, его сорбцией, твердой фазой и выносом растительностью, учитывается поступление тяжелого металла в растворимой и неподвижной форме с органическими отходами, а также переход в почве из неподвижной формы в растворимую форму. Влагоперенос в модели описан известными дифференциальными уравнениями. Концептуальная схема модели миграции тяжелых металлов включает в себя 4 основных блока: органические отходы, почва, грунтовые воды, растительность (рис. 7).

Рис. 7 - Концептуальная схема модели миграции тяжелых металлов в системе «органические отходы – почва – грунтовые воды - растение»

Согласно концептуальной схеме, математическая модель имеет следующий вид:

где H - обобщенный потенциал почвенной влаги, м; H = P + x; P - капиллярный потенциал, м; х - вертикальная координата , м ; W - объемная влажность; - капиллярная влагоемкость, м-1; K(W) - коэффициент влагопроводности, м/сут; e - функция отбора влаги корнями растений, сут; V - скорость влагопереноса, м/сут; Qpf- содержание ТМ в твердой фазе почвы, мг/кг; Qpr - содержание ТМ в почвенном растворе, мг/кг; Spr – интенсивность перехода ТМ из почвенного раствора в твердую фазу почвы, мг/кг; Spf – интенсивность перехода ТМ из твердой фазы почвы в почвенный раствор, мг/кг; Sp-интенсивность отбора ТМ корнями растений, мг/кг в сут; D-коэффициент конвективной диффузии, м2/сут; g – скорость миграции ТМ сорбированного дисперсным взвешенным веществом, м/сут; t – время, сут.

Поглощение тяжелых металлов растениями зависит от их содержания в почвенном растворе:

,где ( - коэффициент поглощения ТМ растениями. (9)

Ввиду малой концентрации тяжелых металлов в почвенных растворах и большой емкости поглощения почвы, можно использовать линейное уравнение изотермической сорбции Генри:

, где ( - коэффициент изотермы сорбции. (10)

Система уравнений была дополнена начальными и граничными условиями. Начальные и граничные условия влагопереноса в почве описывают исходное распределение потенциалов влаги (или влажности) в почве, значения потоков влаги в почве на верхней и нижней границе области расчета (Рекс, Якиревич, 1986).

Начальные и граничные условия содержания тяжелого металла в почве описывают исходное содержание ТМ в почве, изменение содержания ТМ в почве на верхней и нижней границе области расчета:

Qpr| t=0 = Qpr0; Qpf| t=0 = Qpf0, где Qpr0, Qpf0 – начальная концентрация тяжелого металла в почвенном растворе и твердой фазе почвы, мг/кг;

(уравнение Данквертса-Бреннера), где Qprn – концентрация ТМ в органических отходах в растворимой форме (между внесением органических отходов Qprn=0).

, где Qpfn – концентрация ТМ в органических отходах в неподвижной форме (между внесением органических отходов Qpfn=0).

В модели первое уравнение описывает движение влаги в зонах неполного и полного водонасыщения почвогрунта. Второе уравнение определяет скорость влагопереноса в почве. Третье уравнение характеризует интенсивность изменения неподвижной формы тяжелого металла в почве, а четвертое в почвенном растворе. Для решения системы дифференциальных уравнений использовался метод двухслойной неявно конечно-разностной схемы, заключающийся в сведении системы дифференциальной уравнений, имеющей континуальный характер, к конечной системе уравнений, выражающих данные через несколько соседних точек результата.

Для прогнозирования миграции тяжелых металлов в почве при использовании органических отходов в качестве удобрений и проверки адекватности модели была разработана компьютерная программа. Проверка адекватности модели выполнялась также на лугово-черноземных почвах Рубцовского района при использовании осадка сточных вод нормой 20 т/га.

В качестве критерия оценки достоверности решения предложенной математической модели использован коэффициент несходимости Тейла. Модель считается адекватной, если коэффициент несходимости Тейла не превышает 25%. Сравнение результатов прогноза содержания тяжелого металла, полученных с помощью математической модели, с результатами агрохимических исследований на период 1993-1999 гг.., показало, что коэффициент несходимости Тейла не превышает 25% для каждого из вариантов, что свидетельствует о достаточной адекватности предложенной модели и возможности практического применения программы для прогноза миграции тяжелых металлов на длительные промежутки времени.

Результаты натурного и расчетного значения накопления цинка в почве при ежегодном внесении осадка сточных вод г. Рубцовска представлены на рисунке 8.


загрузка...