всероссийский научно-практический журнал
  • ISSN 2072-8158
  • -
  • Роспечать: 48626
  • Пресса России: 44722

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АЗОТНОГО ЦИКЛА НА РЕЧНОМ ВОДОСБОРЕ. Часть I. Источники поступления азота и процессы азотного цикла

Опубликовано в журнале «Вода: химия и экология» № 3 за 2017 год, стр. 15–26.
Рубрика: Мониторинг водных объектов

 

Фащевская Т.Б. кандидат географических наук, доцент, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт водных проблем Российской академии наук
Мотовилов Ю.Г. кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН Институт водных проблем Российской академии наук

Аннотация:
Азотсодержащие соединения отличаются большим разнообразием и циклическим перемещением в окружающей среде, а также весьма широким распространением из-за большого спектра их природных и антропогенных источников. Избыточное содержание соединений азота на водосборе и в водном объекте ухудшает качество воды и приводит к неблагоприятным экологическим последствиям. Моделирование является важным инструментом исследования процесса формирования качества речных вод в пределах водосборного бассейна. Комплексная пространственно-распределенная физико-математическая модель формирования стока и качества вод в речных бассейнах ECOMAG учитывает пространственную неоднородность структуры водосборного бассейна, гидрометеорологических условий и антропогенных воздействий. С целью моделирования азотного цикла осуществляется переработка алгоритмов и усовершенствование геохимического блока модели ECOMAG. Для этого устанавливается соответствие алгоритмов и математических формул азотной подмодели ECOMAG современным представлениям о круговороте азота и процессах его преобразования. Данная работа является первой частью исследования, в котором представлен обзор основных источников, процессов миграции и биохимической трансформации азота на водосборе реки. Основными источниками и процессами поступления азота на речной водосбор являются: азотфиксация; влажные выпадения, сухие осаждения из атмосферы; минеральные и органические удобрения; продукты жизнедеятельности и остатки растений, животных и микроорганизмов; разные виды сточных вод. Основными процессами миграции и трансформации азота на водосборе реки являются: аммонификация и иммобилизация, нитрификация и денитрификация, растительное поглощение, инфильтрация сквозь толщу почвогрунтов в подземные воды, выделение в атмосферу газообразных соединений азота. Приведены качественные и количественные характеристики источников и процессов, значительно различающихся в зависимости от локальных физико-географических условий и особенностей ведения хозяйственной деятельности. Рассмотренные схемы поступления азота на поверхность речного водосбора и процессов азотного цикла в компонентах геосистемы речного бассейна будут использованы при математическом описании азотного блока модели формирования качества речных вод ECOMAG-N.

Ключевые слова: геосистема речного бассейна, моделирование качества воды, процессы азотного цикла, соединения азота

Ссылка для цитирования:
Фащевская Т.Б., Мотовилов Ю.Г. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АЗОТНОГО ЦИКЛА НА РЕЧНОМ ВОДОСБОРЕ. Часть I. Источники поступления азота и процессы азотного цикла // Вода: химия и экология. — 2017. — № 3. — c. 15–26. — http://watchemec.ru/article/28430/

Литература:
1. Моисеенко Т.И. Зональные особенности закисления озер / Т.И. Моисеенко, Н.А. Гашкина // Водные ресурсы. 2011. Т. 38. №1. С. 39-55.
2. Погожев П.И. Регулирование зоопланктоном роста биомассы фитопланктона и прозрачности воды водоемов, загрязненных биогенами / П.И. Погожев, Т.Н. Герасимова // Водные ресурсы. 2011. Т. 38. №3. С. 373-381.
3. Голубятников Л.Л. Цикл азота в земной климатической системе и его моделирование / Л.Л. Голубятников, И.И. Мохов, А.В. Елисеев // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49. №3. С. 255-270.
4. Гусева Т.В. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды: справочные материалы / Т.В. Гусева, Я.П. Молчанова, Е.А. Заика, В.Н. Виниченко, Е.М. Аверочкин. М.: Эколайн, 2000. 87 с.
5. Свидетельство о гос. рег. в Роспатенте №2013610703. ECOMAG / Мотовилов Ю.Г. // Опубликовано 09.01.2013.
6. Motovilov Yu.G. ECOMAG: distributed model of runoff formation and pollution transformation in river basins // IAHS-IAPSO-IASPEI Assembly: Proceedings of H04 «Understanding Freshwater Quality Problems in a Changing World». Gothenburg, Sweden, 2013. IAHS Publ., 2013. №361. Р. 227-234.
7. Gelfan A.N. Long-term hydrological forecasting in cold regions: retrospect, current status and prospects / A.N. Gelfan, Yu.G. Motovilov // Geography Compass. 2009. Vol.3. Issue 5. С. 1841- 1864.
8. Мотовилов Ю.Г. Оценки антропогенных загрязнений речных бассейнов тяжелыми металлами на основе модели ECOMAG // Научное обеспечение реализации «Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 г.»: Cб. науч. тр. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2015. Т. 1. С. 335-343.
9. Моисеенко Т.И. Закисление вод: факторы, механизмы и экологические последствия. М.: Наука, 2003. 276 с.
10. Саmpbell G.W. Atmospheric deposition of sulphur and nitrogen species in the U.K. / G.W. Саmpbell, D.S. Lee // Freshwater Biology. 1996. Vol. 36. Issue 1. P. 151-167.
11. Хрисанов Н.И. Управление эвтрофированием водоемов / Н.И. Хрисанов, Г.К. Осипов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 278 с.
12. Jolankai G. Modelling of non-point source pollution // Application of ecological modeling in environmental
management / Еd. S.E. Jorgensen. Amsterdam, Elsevier. 1983. P. 283-379.
13. Умаров М.М. Микробиологическая трансформация азота в почве / М.М. Умаров, А.В. Кураков,
А.Л. Степанов. М.: Геос, 2007. 138 с.
14. Умаров М.М. Ассоциативная азотфиксация. М.: Изд-во МГУ, 1986. 136 с.
15. Почвоведение: В 2 ч. / Под ред. В.А. Ковды,
Б.Г. Розанова. М.: Высш. шк., 1988. Ч. 1. Почва и почвообразование. 400 с.
16. Звягинцев Д.Г. Биология почв / Д.Г. Звягинцев, И.П. Бабьева, Г.М. Зенова. М.: Изд-во МГУ, 2005.
445 с.
17. Макаров М.И. Симбиотическая азотфиксация в сообществе альпийской лишайниковой пустоши северо-западного Кавказа (Тебердинский заповедник) / М.И. Макаров, Т.И. Малышева, А.А. Ермак и др. // Почвоведение. 2011. №12. С. 1504-1512.
18. Одум Юджин П. Экология: Пер. с англ. В 2-х т. М.: Мир, 1986. Т. 1. 328 с.
19. Кудеяров В.Н. Агрогеохимический цикл азота и пути его регулирования // Биогеохимический круговорот веществ в биосфере. М., Наука, 1987. С.87-95.
20. Дукаревич Б.И. Удобрение овощных культур. М.: Россельхозиздат, 1979. 48 с.
21. Шкиль А.В. Особенности распределения форм азота в почве при различных способах внесения мочевины / А.В. Шкиль, В.К. Трапезников // Резервы повышения урожайности сельскохозяйственных культур в Башкирской АССР. Уфа. 1987. С.106-111.
22. Будажапов Л.В. Использование азота удобрений зерновыми культурами на лугово-черноземных мерзлотных почвах Забайкалья // Агрохимия. 2009. №6. С. 16-21.
23. Завалин А.А. Азотное питание и прогноз качества зерновых культур / А.А. Завалин, А.В. Пасынков. М.: Изд-во ВНИИА, 2007. 208 с.
24. Ремезов Н.П. Динамика взаимодействия широколиственного леса с почвой // Проблемы почвоведения. М., Изд-во АН СССР. 1962. С. 101-147.
25. Добрынин Г.М. Рост и формирование хлебных и кормовых злаков. Л.: Колос, 1969. 275 с.
26. Ванг П. Удаление биогенных веществ стрелолистом в переходной зоне между сушей и рекой в различные периоды развития растения / П. Ванг, Ч. Ванг // Водные ресурсы. 2007. Т. 34. №4. С. 502-508.
27. Базилевич Н.И. Биотический круговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных наземных экосистемах / Н.И. Базилевич, А.А. Титлянова. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. 381 с.
28. He T.X. Relationship between potassium and nitrate contents in vegetables / T.X. He, С.Р. He // Better Crops International. 1994. №6. Р. 10-11.
29. Беляева И.С. Оптимизация азотного питания и регуляция накопления нитратов растениями пекинской капусты / И.С. Беляева, Р.К. Саляев, Р.Н. Сабирова, Т.И. Лаптева // Агрохимия. 2008. №12. С. 12-19.
30. Tukey H.B. Leaching of metabolites from foliage and subsequent reabsorption and redistribution of the leachate in plants / H.B. Tukey, R.A. Mecklenburg // American Journal of Botany. 1964. Vol. 5. P. 73-342.
31. Красногорская Н.Н. Оценка качества водных объектов в условиях антропогенного воздействия /
Н.Н. Красногорская, Т.Б. Фащевская, Т.А. Рогозина Уфа: Изд-во УГАТУ, 2006. 278 с.
32. Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во МГУ, 1992. 400 с.
33. Умаров М.М. Перспективы развития почвенной биологии. М.: МАКС Пресс, 2001. С. 47-52.
34. Вавилин В.А. Моделирование деструкции органического вещества сообществом микроорганизмов / В.А. Вавилин, В.Б. Васильев, С.В. Рытов. М.: Наука, 1993. 208 с.
35. Keeney D.R. Sources of nitrate to groundwater // Nitrogen management and groundwater protection / Еd. R.E. Follet. New York, Elsevier. 1989. P. 23-32.
36. Birkinshaw S.J. Nitrogen transformation component for SHETRAN catchment nitrate transport modelling / S.J. Birkinshaw, J. Ewen // Journal of Hydrology. 2000. Vol. 230. Issues 1-2. P. 1-17.
37. Вавилин В.А. Нелинейная динамическая модель фракционирования стабильных изотопов азота в процессе денитрификации с образованием закиси азота / В.А. Вавилин, С.В. Рытов // Водные ресурсы. 2015. Т. 42. №2. С. 194-198.
38. Щеголькова Н.М. Охрана загрязненной реки: интенсификация самоочищения и оптимизация водоотведения / Н.М. Щеголькова, Е.В. Веницианов. М.: РАСХН, 2011. 388 с.
39. Трухина А.И. Оптимизация Deamox-процесса и молекулярно-биологические исследования формирующихся консорциумов микроорганизмов. Дис.… канд. хим. наук. М., 2011. 115 с.
40. Prather M. Other trace gases and atmospheric chemistry / M. Prather, R. Derwent, D. Ehhalt, P. Fraser, E. Sanhueza, X. Zhou // Climate change radiative forcing of climate change and an evaluation of the IPCC 1992 emission increase / Eds. J.T. Houghton et al. Cambridge, Cambridge University Press. 1994. P. 77-126.
41. Курганова И.Н. Влияние температуры и влажности на эмиссию N2O из почв различного землепользования / И.Н. Курганова, В.О. Лопес де Гереню, К. Ван Кессел, Й. Сикс // Агрохимия. 2009. №2. С. 50-59.
42. Van Groningen J.W. Nitrous oxide emission from silage maize fields under different mineral nitrogen fertilizer and slurry applications / J.W. Van Groningen, G.J. Kasper, G.L. Velthof, A. Van den Polvan Dasselaar, P.J. Kuikman // Plant Soil. 2004. Vol. 263. P. 101-111.
43. Bouwman A.F. Direct emission of nitrous oxide from agricultural soils // Nutrient Cycling in Agroecosystems. 1996. №49. Р. 7-16.
44. Mosier A.R. Contribution of agroecosystems to the global atmospheric N2O budget / A.R. Mosier, C. Kroeze // Proceedings of the International Workshop on reducing Nitrous Oxide Emissions from Agroecosystems. Alberta, Canada, 1999. P. 3-5.
45. Clayton H. Nitrous oxide emission from fertilized grassland: a 2-year study of the effect of N-fertilizer form and environmental conditions / H. Clayton, I.P. McTaggart, J. Parker, L. Swan, K.A. Smith // Biology and Fertility of Soils. 1997. Vol. 25. P. 252-260.
46. Dobbie K.E. Nitrous oxide emissions from intensive agricultural systems: variation between crops and seasons, key driving variables, and mean emission factors / K.E. Dobbie, I.P. McTaggart, K.A. Smith // Journal of Geophysical Research. 1999. Vol. 104. P. 26891-26899.
47. Kanako K. Nitrous oxide emissions for 6 years from a gray lowland soil cultivated with onions in Hokkaido, Japan / K. Kanako, S. Takuji, H. Ryusuke // Nutrient Cycling in Agroecosystems. 2002. №63. Р. 239-247.
48. Jungkunst H.F. Nitrous oxide emissions from agricultural land in Germany — a synthesis of available annual field data / Jungkunst H.F., Freibauer A., Neufildt H., Bareth G. // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2006. Vol. 169. P. 341-351.
49. Кидин В.В. Влияние перемешивания и аэрации разных горизонтов почвы на продуцирование СО2, нитрификацию и денитрификацию азота удобрений / В.В. Кидин, В.В. Зенкина // Агрохимия. 2009. №6. С. 10-15.
50. Завьялова Н.Е. Влияние минеральных удобрений и известкования на биологическую активность дерново-подзолистой почвы / Н.Е. Завьялова, Е.М. Митрофанова // Агрохимия. 2008. №12. С.29-34.
51. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М.: Высш. школа, 1981. 400 с.
52. Brady N.C. The Nature and Properties of Soils / N.C. Brady, R.R. Weil. New York: Prentice Hall, 2002. 960 p.
53. Иванов И.В. Биоминерализация органического вещества в современных пахотных погребенных и ископаемых черноземах / И.В. Иванов, Л.С. Песочина, В.М. Семенов // Почвоведение. 2009. №10. С. 1192-1202.
54. Palm C.A. Organic inputs for soil fertility management in tropical groecosystems: application of an organic resource database / C.A. Palm, C.N. Gachengo, R.J. Delve, G. Cadisch, K.E. Giller // Agriculture Ecosystems and Environment Journal. 2001. №3. Р. 27-42.
55. Пуртова Л.Н. Влияние современных агротехнологий на содержание лабильного гумусового вещества, микрофлору и оптические показатели лугово-бурых отбеленных почв Приморья / Л.Н. Пуртова, Л.Н. Щапова, Н.М. Костенков // Агрохимия. 2013. №10. С. 13-19.
56. Ларионова A.A. Влияние азотных удобрений на разложение целлюлозы в зависимости от отношения C/N в почве / A.A. Ларионова, Ж.В. Котева, Л.Н. Розанова, В.Н. Кудеяров // Почвоведение. 1994. №9. С. 55-60.
57. Исаев М.Д. Компостирование органических отходов // Информационный бюллетень ГУП РТ «РИВЦ МСХиП РТ». Казань. 2009, №7. С. 30-32.
58. Сole C.V. Phosphorus effects on terrestrial nitrogen. Terrestrial Nitrogen Cycles / C.V. Сole, R.D. Heil // Ecological Bulletins (Stockholm). 1981. Vol. 33. P. 363-374.
59. Van Veen J.A. Turnover of carbon nitrogen and phosphorus through the microbial biomass in soil incubated with 14C, 15C and 32P-labeled bacterial cells / J.A. Van Veen, J.N. Ladd, J.K. Martin, M. Amato // Soil Biology & Biochemistry. 1987. Vol. 19. №5. P. 559-565.
60. Мамай А.В. Микробная трансформация соединений азота и углерода в лесных почвах Средней тайги (на примере Карелии). Дис.… канд. биол. наук. М., 2014. 153 с.
61. Костина Н.В. Влияние экологических факторов на восстановление закиси азота в почвах разных типов / Н.В. Костина, А.Л. Степанов, М.М. Умаров // Почвоведение. 1995. №6. С. 725-731.
62. Granli Т., Bockman O.C. Nitrous oxide from agriculture // Norwegian Journal of Agricultural Science. 1994. №12. 128 p.
63. Кудеяров В.Н. Азотный цикл и продуцирование закиси азота // Почвоведение. 1999. №8. С. 988-998.
64. Davidson E.F. Climate change and soil microbial processes: secondary effects are hypothesized from better known interacting primary effects // Soil responses to climate change. NATO ASI Series. 1994. V. 1. №23. P. 155-168.
65. Разгулин С.М. Минерализация соединений азота в почве березняка-кисличника // Почвоведение. 2013. №2. С. 144-151.