Воздействие навозосодержащих отходов животноводческих объектов Республики Беларусь на почвенный покров

Введение. Животноводство Республики Беларусь является значимой отраслью хозяйственного комплекса страны, производящей около 8% от стоимости всей внутренней валовой продукции и более 55% продукции сельского хозяйства [1]. Программа развития сельских территорий на 2011-2015 гг. предусматривает интенсивное развитие животноводческой отрасли. Мясо-молочная группа будет составлять порядка 70% всего сельскохозяйственного экспорта, для чего предусматривается строительство 875 новых и реконструкция 1350 МТФ и строительство 112 новых свиноводческих комплексов.

Увеличение поголовья скота и территориальное распространение объектов животноводства усиливает антропогенную нагрузку на природную среду. Каждый такой объект является потенциальным источником загрязнения, в том числе и почвенного покрова, отходами животноводства. Многие существующие животноводческие комплексы имеют значительно изношенное оборудование и коммуникации, из-за чего регулярно наблюдаются несанкционированные сбросы навозосодержащих стоков в природную среду. Все это делает весьма актуальными исследования по определению основных загрязнителей почвенного покрова от отходов животноводства.

В ходе работ по выполнению задания 2.1.8 «Оценить степень воздействия объектов животноводства на почвенный покров и определить перечень контролируемых загрязняющих веществ с целью оптимизации обращения с навозосодержащими стоками» ГНТП «Природные ресурсы и окружающая среда» в 2011-2015 гг. на основании анализа фондовых материалов и результатов аналитических исследований был определен перечень загрязняющих веществ - индикаторов загрязнения почвенного покрова от отходов животноводства.

В статье представлены основные результаты, полученные в ходе выполнения указанной НИР.

Материалы и методы исследования. Для оценки химического загрязнения почвенного покрова были использованы: результаты выполненных в 2011 г. полевых исследований с отбором проб почвы для определения содержания загрязняющих веществ на модельных объектах; материалы почвенно-геохимических исследований выполненных специалистами РУП «Бел НИЦ «Экология» в рамках научно-исследовательских работ по оценке воздействия планируемой хозяйственной деятельности по строительству и реконструкции объектов животноводства. На их основании был составлен предварительный перечень загрязняющих веществ, по которому проводились более детальные исследования.

Результаты исследований и их обсуждение. В 2011 - 2012 гг. были отобраны пробы навозосодержащих стоков для определения в них концентраций потенциальных загрязнителей почвенного покрова отходами животноводства. Результаты аналитических исследований отобранных образцов представлены в таблице 1.

Для проведения сравнительной характеристики в таблице 2 представлены данные по концентрациям загрязняющих веществ в водоемах, расположенных в районе размещения животноводческих объектов, но на расстоянии, исключающем возможность попадания в них навозных стоков.

В таблице 3 представлены усредненные значения концентраций загрязняющих веществ в навозных стоках и естественных водных объектах.

* - среднее квадратичное отклонение [2]

Как видно из таблицы, содержание таких веществ, как кадмий, фосфаты, в стоках сравнимо (выше не более чем в 3,0 раза; с учетом среднего квадратичного отклонения - не более чем в 1,5 раза) с концентрациями в естественных водных объектах, что не позволяет отнести их к приоритетным загрязнителям почвенного покрова от навозосо-держащих отходов животноводства. Остальные вещества, содержание которых в стоках в 3 и более раз выше, чем в естественных водоемах, условно принимаем потенциальными загрязнителями почв. В дальнейшем определялась концентрация этих веществ в почвах в местах разливов животноводческих стоков для выявления реальных загрязнителей.

Таким образом, в рассматриваемый предварительный перечень включаем: сульфаты, аммоний, нитриты, нитраты, хлориды, свинец, марганец, цинк, никель, медь.

На основании фондовых материалов исследований 2009-2012 гг. был проведен расчет «условно фоновых» концентраций содержания загрязняющих веществ в почвах. Для расчета приняты данные по концентрациям загрязняющих веществ в пробах почвы, отобранных на удалении от объектов животноводства. Во внимание принимались образцы с супесчаным механическим составом (по аналогии с почвами вокруг основных модельных объектов: свинокомплексы «Борисовский», «Сож», «Дворецкий»). Для вычисления средних концентраций использовались результаты анализа 97 проб по металлам и 66 проб по макрокомпонентам. По одному максимальному и минимальному значению в расчет не принималось. Полученные «условно фоновые» концентрации представлены в таблице 4.

При сравнении полученных «условно фоновых» концентраций с действующими ПДК (ОДК) была выявлена закономерность, что сами ПДК (ОДК) минимум в 2 раза больше рассчитанных фоновых показателей.

Для выявления реальных загрязнителей почв от навозосодержащих отходов были проанализированы данные лабораторных исследований почвенных образцов, отобранных в районе расположения животноводческих объектов. Результаты аналитических исследований были сгруппированы в зависимости от расположения точки отбора пробы. Выделены следующие группы точек: расположенные на территории и по периметру объектов животноводства (1 группа); находящиеся вдоль сельскохозяйственных земель, на которые поступают органические удобрения (2 группа); расположенные в непосредственной близости от мест хранения навоза (3 группа); «условно фоновые» (4 группа).

Для каждой из групп получены средние концентрации загрязняющих веществ, представленные в таблице 5.

Сравнение «условно фоновых» концентраций с показателями в выделенных группах (таблица 4) позволяет сделать следующее заключение. Концентрация ни одного из загрязнителей по группе 2 (места отбора вдоль сельскохозяйственных земель, на которые поступают органические удобрения) не превышает условно фоновую в два и более раза. В группах 1 и 3 превышение более чем в 2 раза фиксируется только по некоторым из форм азота за счет аномально высоких концентраций в 2-3 пробах.

Таким образом, можно сделать вывод, что основным загрязнителем почвеного покрова отходамиживотноводства являются минеральные формы азота. В то же время наибольшее загрязнение происходит непосредственно во время несанкционированных разливов, аварийных ситуаций, а не в результате соблюдения установленного технологического процесса содержания скота и внесения органических удобрений, локализовано на незначительных площадях и определяется на месте визуально.

В дальнейшем для выявления полного перечня загрязнителей в расчет принимались пробы, отобранные в визуально определенных местах разливов животноводческих стоков. Помимо того пробы разбиты на две группы, исходя из свежести разливов. Средние значения концентраций по каждой из выделенных групп представлены в таблице 6.

В перечень загрязнителей включались вещества, концентрации которых в 2 и более раза превышали условно фоновую хотя бы по одной из групп. В результате в список загрязнителей почвенного покрова от животноводческих стоков включено 6 позиций: сульфаты, аммоний, нитраты, нитриты, цинк, медь.

Необходимо отметить, что высокие концентрации сульфатов и аммония фиксируются только при свежих разливах. Учитывая трансформацию азотных соединений в почвах, со временем концентрация аммония будет снижаться и, соответственно, возрастать содержание нитратов. Таким образом, и аммоний, и нитраты, и промежуточное соединение нитриты - показатели загрязнения почв от навозных стоков на разных его временных стадиях.

В дальнейшем проведено определение степени приоритетности для загрязняющих веществ, включенных в перечень загрязнителей почвенного покрова, которое происходило на основании следующих рассчитанных коэффициентов: процент проб с превышением условно фонового значения (К1); процент проб с превышением условно фонового значения на 100 и более процентов (К2); отношение средней концентрации проб с превышением условно фонового значения на 100 и более процентов к показателю условно фонового значения (КЗ).

Было решено веществам по каждому из коэффициентов присвоить значение от 1 до 6 (по возрастанию). Рассчитанные коэффициенты К1, К2 и КЗ и баллы представлены в таблице 7.

Баллы по каждому из коэффициентов просуммированы, а вещества расставлены в порядке уменьшения суммы. В соответствии с полученными баллами вещества выстроены в следующем порядке: нитраты - 14; медь - 13; нитриты - 12; цинк - 12; сульфаты - 10; аммоний - 4.

Таким образом, отходы животноводства являются потенциальныи источником загрязнения почв азотными соединениями как в визуально определенных местах несанкционированных разливов, так и в целом в районах размещения объектов животноводства и навозохранилищ.

Миграция и аккумуляция азота в почве зависят от большого количества факторов: микробиологических процессов (аммонификации, денитрификации, нитрификации, азотфиксации), погодных условий, состава почвообразующих пород, положения в геохимическом ландшафте, гидрогеологических условий, физических и химических свойств почвы, развития растений, вида культуры.

Процесс аммонификации в почве осуществляется многочисленной и разнообразной по составу группой микроорганизмов и может протекать в более широком диапазоне условий окружающей среды, чем другие процессы превращения соединений азота в почве. Однако накопление аммонийного азота происходит лишь в случаях, если не идет процесс нитрификации. Осуществляется это при низких (<5) или высоких (>8) рН среды, при повышенных количествах подвижного алюминия, малой насыщенности почв основаниями, недостаточной аэрации, низких температурах [3].

Процесс нитрификации носит окислительный характер, поэтому он возможен лишь в аэробной обстановке при благоприятных внешних условиях. Осуществляется данный процесс в две стадии. На первой происходит окисление аммония до нитритов, но эта форма азота очень нестойкая. В кислых почвах нитриты неустойчивы и в течение нескольких минут распадаются.

На второй стадии нитрификации нитриты превращаются в нитраты. По данным исследователей [4] физически, физико-химически, химически нитратный азот не поглощается почвой.

Отмечается положительная линейная зависимость между нитратным азотом и содержанием общего, органического азота, а также с обменным аммонием.

Установлено, что скорость превращения аммонийных форм в нитратные зависит от влажности и температуры почвы, но в условиях Беларуси этот процесс осуществляет в течение не более 20 дней [5].

Таким образом, концентрация изученных азотных форм в почве будет зависеть от давности поступления азота. Из-за большого количества влияющих факторов, невозможно установить порог, когда нитраты превалируют над аммонийной формой.

Заключение. На основании данных полевых, химико-аналитических исследований и фондовых материалов определен перечень приоритетных загрязнителей в почвах в районе расположения животноводческих объектов: нитраты, медь, нитриты, цинк, сульфаты, аммоний.

При этом основными показателями загрязнения служат минеральные азотные соединения. При «свежем» загрязнении наиболее высоки в почве концентрации аммония, которые со временем будут снижаться, а содержание нитратов соответственно возрастать.

Таким образом, и аммоний, и нитраты, и промежуточное соединение нитриты являются показателями загрязнения почв навозными стоками на разных временных стадиях загрязнения.