15.3. Управление биогеохимическими циклами биофилов Управление ландшафтно-биогеохимическим циклом азота в агроэкосистемах

Азот принадлежит к числу тех биофильных элементов, глобаль­ный биогеохимический цикл которых в природных условиях был практически полностью замкнут. Это значит, что в пределах опре­деленного временного интервала приходные статьи биогеохимиче­ского цикла, связанные с фиксацией молекулярного азота, были уравновешены расходными статьями, представленными прежде всего денитрификацией. Практически был замкнут биогеохимиче- ский цикл азота на региональном и локальном уровнях. Если под локальным уровнем понимать экосистему, а под региональным — водосбор той или иной реки (средней или малой), то описание биогеохимического цикла азота может выглядеть в виде сопостав­ления его основных звеньев (рис. 15.1).

В круговороте азота нужно различать приходные, расходные и внутрисистемные переходы. Приходные составляющие — осадки, удобрения, симбиотическая и несимбиотическая фиксация, ввоз промышленных и сельскохозяйственных товаров и сырья, содержа­щих азот. Расходные составляющие — денитрификация, вынос с поверхностными речными водами, вывоз промышленных и сель­скохозяйственных товаров и сырья, содержащих азот.

Трансформа­ция составляющих происходит в пре­делах выбранного водосбора: аммони­фикация, синтез азотсодержащих орга­нических продуктов, нитрификация, иммобилизация в состав клеток мик­роорганизмов, поглощение растениями и в дальнейшем животными и челове­ком и т. д.

Очевидно, что процессы внутри­системного перераспределения не влияют на общую массу азота, а только из­меняют ее величину в различных звень­ях биогеохимического цикла. В при­родных системах, где отсутствуют зве­нья, связанные с поступлением удоб­рений, ввозом и вывозом продукции, сумма приходных статей биогеохими­ческого цикла (масс-баланса) и сумма расходных статей уравновешены. В идеа­ле так должно быть и в антропоген­но-модифицированных системах типа рассматриваемого условного водосбо­ра, и тогда биогеохимический цикл азота был бы замкнут. Однако этого не происходит и, как правило, в промышленно развитых странах с высоким применением азотных минеральных удобрений приходные составляющие биогеохимического цикла существенно превышают расходные, тогда как в развивающихся странах с низким уровнем применения удобрений рас­ходные статьи, напротив, преобладают над приходными.

Роль азота атмосферных выпадений может быть выражена в промышленных и развивающихся странах вследствие регионально­го трансграничного загрязнения воздуха на большие расстояния при переносе соединений азота в воздушных потоках далеко от ис­точников его эмиссии.

Приведенная на рис. 15.1 концептуальная схема биогеохими­ческих потоков азота позволяет рассчитать величины так называе­мого ландшафтно-биогеохимического баланса этого элемента в пределах различных водосборных бассейнов. Сопоставление при­ходных и расходных статей такого баланса позволяет выявить тен­денции к обогащению или обеднению азотом рассматриваемых территорий, а оценка трансформации соединений азота в процессе его внутриландшафтного перераспределения позволяет выявить среды, в которых азот аккумулируется (при положительных вели­чинах баланса) или в которых азот обедняется (при отрицательных величинах баланса). Использование бассейнового подхода, особен­но в случае малых и средних рек, позволяет рассчитать баланс азо­та в пределах территории, ограниченной природными однонаправ­ленными геохимическими потоками, вещества.

Основываясь на вышеизложенных принципах, были рассчита­ны величины ландшафтно-биогеохимического баланса для не­скольких бассейнов рек на территории России и США. На терри­тории России для расчета взяты бассейны четырех малых рек, при­токов р. Оки, с различной степенью сельскохозяйственного или лесного использования и при незначительном промышленном воз­действии (табл. 15.1): р. Городнянка (Московская обл., серые лес­ные почвы, площадь бассейна 5500 га — 55 % территории занято под сельскохозяйственное производство и около 40 % залесено); р. Скнига (Тульская обл., серые лесные почвы, площадь бассейна 3200 га, 60 % земель распаханы и около 35 % — под лесом); р. Ицка (Орловская обл., чернозем, 28 600 га водосборной площади, 88 % которой находится в сельскохозяйственном использовании) и р. Сохна (Калужская обл., дерново-подзолистые почвы, площадь бассейна 26 800 га, из которых только 12 % распаханы, осталь­ные — залесены). Как видно, территории выбранных бассейнов су­щественно различаются по интенсивности сельскохозяйственного производства. Кроме степени распашки, эти водосборы в период исследований (1976 — 1991 гг.) отличались и количеством приме­няемых минеральных азотных удобрений в агроэкосистемах. В бас­сейне р. Городнянка средние дозы удобрений составляли 120 кг/га, в бассейне р. Скнига — 70 кг/га, в бассейне р. Ицка — 30 кг/га и в бассейне р.Сохна — 65 кг/га. Различным было и количество азота, поступающего в бассейны с атмосферными выпадениями, макси­мальное — в бассейне р. Городнянка (20—15 кг/га в зависимости от года наблюдений) и минимальное — в бассейнах р. Ицки и Сохны (5-10 кг/га).

Таблица 15.1. Сравнительная характеристика

водосборных бассейнов для изучения ландшафтно-биогеохимического баланса азота

Параметры	Водосборные бассейны рек
	Городнянка	Скнига	Ицка	Сохна
Площадь бассейна, га	5 500	32000	28 600	26 800
Преобладающие почвы	Серая лесная	Серая лесная	Чернозем	Дерново-
				подзолистая
Сельскохозяйственный
тип землепользования, %	55	60	88	12
Лесной тип землепользова-
ния, %	40	35	2	87
Средние дозы азотных удоб-
рений, кг/га (1976—1991 гг.)	120	70	30	65
Поголовье с/х животных,
гол./100 га с/х угодий	300	1250	870	150
Насыщенность бобовыми
культурами, %	60	50	30	25
Поступление азота с атмо-
сферными осадками, кг/(га ■ год)	25	20	10	5
Численность населения,
тыс. чел.	2	6	5	4

В структуре севооборотов доля бобовых культур также значи­тельно различалась, что приводило к неравномерному поступле­нию биологически фиксированного азота.

В зависимости от региона и водосбора наблюдались и различ­ные условия трансформации азота внутри бассейнов: на легких песчаных почвах бассейна р.Сохна происходило интенсивное вы­мывание азота в грунтовые и поверхностные воды, тогда как этот процесс был существенно заторможен в бассейне р. Ицка с распро­странением тяжело-суглинистых черноземов с ограниченной фильтрацией воды и растворенного в ней азота, прежде всего в нитратной форме. На более водопроницаемых серых лесных почвах этот процесс выражен в промежуточной форме.

Увеличение дозы сельскохозяйственных земель способствует как большему поступлению азота в агроэкосистемы с минераль­ными удобрениями, так и ббльшим их потерям при вымывании и денитрификации по сравнению с лесными экосистемами, где естественные биогеохимические циклы элементов, в том числе и азота, практически замкнуты. Поступление азота в лесные экоси­стемы происходит в основном с атмосферными выпадениями и в меньшей степени за счет биологической фиксации (деревья-сим­бионты типа ольхи и бобовые дикорастущие травы), удаление же азота в незначительной степени выражено в виде поверхностного речного стока.

В бассейнах изученных рек население главным образом про­живает в сельских поселках, где количество азотсодержащих отхо­дов и сточных вод незначительно и в основном утилизируется в пределах поселков в виде органических удобрений и компостов. Животноводческие отходы (навоз и жидкие стоки) складируются и используются непосредственно на территории водосборов. Сле­довательно, эти источники азота включаются во внутриландшафт-ное его перераспределение, хотя в определенной степени они влияют на вымывание азота в природные воды (поверхностные и грунтовые).

Сопоставительный анализ приходно^асходных статей ланд­шафтно-биогеохимического баланса приведен в табл. 15.2.

Таблица 15.2. Ландшафтно-биогеохимический баланс азота на водосборных территориях малых рек (% к сумме приходных статей), средние значения для периода 1976—1991 гг.

Статьи баланса	Водосборные бассейны рек
	Городнянка	Скнига	Ицка	Сохна
Приход	'100	100	100	100
Расход	25	80	91	94
Разность	+ 75	+ 20	+ 9	+ 6

Из табл. 15.2 видно, что во всех изучаемых бассейнах в течение 15-летнего периода складывался положительный баланс азота, при­чем максимальное превышение отмечено в бассейне р. Городнянка (+ 75 %), затем в бассейне р. Скнига (+ 20 %), р.Ицка (+ 9 %) и бассейне р. Сохна превышение было около 6 %. Эти величины го­ворят о том, что на водосборных территориях всех изученных рек происходила аккумуляция азота, в основном связанная с увеличе­нием содержания нитратов в грунтовых водах (см. гл. 6).

Максимальная аккумуляция азота происходит в подчиненных ландшафтах. Сравнение величин накопления азота в различных частях агроэкосистемы с севооборотом зерновых, картофеля и овощей было проведено в карбонатно-кальциевой катене серых лесных почв и пойменной почвы на склоне и пойме р. Оки. Ис­следование было выполнено в пределах Московской обл. в 80-х годах. В связи с интенсивным применением удобрений на верх­них частях склонов, в элювиальных и трансэлювиальных ланд­шафтах происходило вымывание неиспользованного растениями азота с поверхностным стоком в аккумулятивный ландшафт. Ак­кумуляция азота в агроэкосистеме на верхней (элювиальный), средней (трансэлювиальный) и нижней (трансэлювиально-акку­мулятивный ландшафт) частях склона составляла соответственно 85, 64 и 101 кг N на 1 га в год. Внесение удобрений в элювиаль­ном ландшафте (165—220 кг/(га ■ год) N) — максимальная приход­ная статья в этой агроэкосистеме, расходная часть — денитрифика-ция в супераквальном ландшафте (71—128 кг/(га • год) N). Сходные результаты были получены в катене, состоящей из интенсивно удобряемой агроэкосистемы с выращиванием грейпфрута на жел­то-красных почвах и экосистемы сухой саванны на тех же почвах острова Пинос, Куба. В условиях гумидного тропического муссон-ного климата азот вымывался с латеральным стоком из элювиаль­ного и трансэлювиального ландшафтов и аккумулировался в водо-насыщенной зоне супераквального ландшафта, где впоследствии денитрифицировался (рис. 15.2).

В США аналогичные исследования были выполнены в начале 70-х годов в южной части водосбора р. Св. Джеквин (штат Кали­форния), занимающего площадь 1 771 750 га, т. е. представляет со­бой водосбор средней реки. Из всей площади водосбора в сельско­хозяйственном использовании находилось 1 029 300 га, или 58 %. Основные выращиваемые культуры представлены орошаемыми хлопчатниками, садами и зерновыми. Количество проживаемого на данной территории населения составляло около 1 млн чел., в ос­новном сосредоточенных в двух городах — Фреско и Вейкерс-фильд, а также их пригородах.

Из табл. 15.3, в которой представлен общий пул азота в пределах рассматриваемой территории, видно, что основная масса азота, бо­лее 99 %, сосредоточена в атмосфере, но этот азот находится в инертной форме. Гораздо подвижнее масса азота в поверхностных и грунтовых водах, хотя и составляет всего 0,0007 % от общих запасов азота на водосборной площади. Однако именно это количество азо­та и определяло различные экологические проблемы.

В почвах и грунтах сосредоточено около 99 % неатмосферного азота. Основная масса при этом находится в форме органического азота (более 90 %), оставшаяся минеральная масса на 50—60 %

представлена «фиксированным» аммонием, т. е. ионом NH*, вхо­дящим в структурные пакеты глинистых минералов. Следователь­но, в подвижной форме, т. е. форме, доступной для поглощения растениями, в почве содержится менее 4—5 % азота. Ежегодно в грунтовые воды в период наблюдений поступало около 80 т азота, что приводило к 10 %-му возрастанию количества нитратов.

Таким образом, вследствие неэффективного использования азота минеральных удобрений как в бассейнах малых рек центра России, так и в бассейне средней реки в штате Калифорния (США) проис­ходили аккумуляция избыточного азота, которая сопровождалась его поступлением в поверхностные и грунтовые воды и накоплени­ем нитратного азота в овощеводческой продукции и кормовых культурах.

Таблица 15.3. Оценка запасов азота в долине реки Св. Джеквин

Источник	N, тыс. т	% от суммы
		+ атмосфера	- атмосфера
Атмосфера	1,390 • 10"	99,70000	—
Растительная и животная массы	2,218 • 102	0,00016	0,040
Почвы	1,878- 104	0,01350	34,259
Грунты	3,576 • 105	0,25700	65,235
Поверхностные воды	3,807- 10'	0,00003	0,069
Грунтовые воды	5,230- 102	0,00004	0,954
Всего (+ атмосфера)	1,394 ■ 10"	100	—
Всего (— атмосфера)	5,482 ■ 104	—	100

Таким образом, вследствие возрастающей антропогенной на­грузки на природный биогеохимический цикл азота этот цикл пе­рестал быть замкнутым, т. е. приходные статьи и расходные пере­стали уравновешивать друг друга. Эти нарушения природного био­геохимического цикла азота сопровождаются ростом вероятности проявления экологического риска.