Моделирование запасов гумуса в почве при орошении свиноводческими стоками

В мире существует множество моделей, которые показывают изменение органического вещества в почве [1-11]. Данные модели не учитывают накопление не подвергавшегося гумификации органического вещества свиноводческих стоков, что не позволяет обосновывать периодичность и нормы полива свиноводческими стоками.

Была разработана математическая модель [12], в которой первое дифференциальное уравнение отражает динамику запаса гумуса за счет гумификации органического вещества свиноводческих стоков и растительных остатков, а также учитывает потери гумуса. Другие уравнения, соответственно, учитывают изменение содержания в почве органического вещества свиноводческих стоков и растительных остатков, не подвергшихся разложению.

,(1)

где: - запас гумуса в почве, т/га;

- органическое вещество свиноводческих стоков в почве, не подвергшихся разложению, т/га;

- органическое вещество растительных остатков в почве, не подвергшихся разложению, т/га;

- изогумусовый коэффициент свиноводческих стоков, год^-1 [13];

- коэффициент минерализации свиноводческих стоков, год^-1;

- норма внесения свиноводческих стоков (в сухом веществе), т/га за год;

- коэффициент гумификации растительных отходов, год^-1 [14];

- коэффициент минерализации растительных отходов, год^-1 [14];

- поступление органического вещества из растительных остатков, т/га за год;

- коэффициент минерализации гумуса за год;

- коэффициент потери гумуса при эрозии за год;

- физические потери гумуса, т/га за год.

Физические потери гумуса оцениваются по его содержанию в почвенном растворе за счет перехода наиболее подвижной части гумуса, представленной фульвокислотами [10]:

, т/(га•год),(2)

где: - растворимость гумуса, кг/м³;

- ежегодная промываемость почвы, мм.

Коэффициент минерализации гумуса зависит от типа почвы [10].

Коэффициент потери при эрозии [10]:

,(3)

где: - плотность почвы, т/м³;

- слой удаленной почвы, м;

- масса удаленной почвы, т/га в год.

изменяется от 0,00125 год^-1 для слабо эродируемых до 0,00833 год^-1 сильно эродируемых почв [10].

Адекватность модели проверялась на данных, полученных в результате поливов свиностоками в лугово-степной зоне Тогульского района Алтайского края [15].

Почвы Тогульского района, в основном, представлены черноземами выщелоченными с содержанием азота 0,415, фосфора - 0,204, калия - 2.6 %. Плотность почвы в верхнем слое - 1.16 г/см³, пористость - более 50%.

В лугово-степной зоне (Тогульский район) количество осадков, выпадающих за год, составляет 490 мм, в том числе 284 мм за вегетационный период.

Полевые исследования на свинокомплексе «Антипинский» проведены в течение трех лет в 6-польном кормовом севообороте. В севообороте участвовали овес, пшеница, горох.

В полевой опыт включены четыре варианта с различными нормами полива свиноводческими стоками: без внесения стоков и с поливными нормами 100 м³/га, 200 м³/га, 300 м³/га.

Предпосевная обработка почвы включала зяблевую вспашку после уборки предшественника и боронование с культивацией весной.

Удобрительные поливы были проведены в период кущения и выхода в трубку - на зерновых культурах и в фазу ветвления - на горохе.

Свиноводческие стоки свинокомплекса «Антипинский» имеют фракции частиц размером менее 0,25 мм, которые не создают помех при работе дождевальной техники: 90.74%. Для отделения более крупных фракций используется процеживатель сточной жидкости. После процеживания свиноводческие стоки полностью отвечают требованиям для работы дождевальных машин.

Свиноводческие стоки свинокомплекса «Антипинский» - средней степени минерализации с концентрацией растворенных веществ 4006 мг/л, реакция слабокислая: рН 6,6, а содержание NPK - 744, 532, 843 мг/л. Ирригационный коэффициент по Стеблеру 6,1 показывает, что стоки вполне пригодны для орошения.

Санитарно-бактериологическая оценка стоков свинокомплекса после их отстаивания при поступлении на пашню показала допустимое количество непатогенных микроорганизмов и отсутствие патогенной микрофлоры и яиц гельминтов.

Содержание тяжелых металлов - ниже ПДК. Содержание меди в животноводческих стоках - 0,002 мг/л, цинка - 0,001 мг/л, кобальта - 0,0002 мг/л, кадмия - 0,0001 мг/л.

Результаты исследований

Орошение свиноводческими стоками свинокомплекса «Антипинский» оказало положительное влияние на почвы Тогульского района. Наиболее заметное накопление питательных веществ в почве и некоторое повышение содержания органического вещества прослеживается по мере увеличения нормы внесения стоков от 100 до 300 м³/га. Содержание гумуса в слое почвы 0-20 см за три года при норме стоков 200 м³/га увеличилось с 6,33 до 6,51 %, а в слое 0-60 см - от 4,54 до 4,71 %. После трех лет внесения свиноводческих стоков ежегодно нормой 300 м³/га содержание гумуса возросло от 6,33 до 6,52 % в слое почвы 0-20 см и от 4,54 до 4,74 % - в слое 0-60 см. При ежегодной норме стоков 100 м³/га эти значения были меньше.

Для дальнейшего прогнозирования изменения запасов гумуса под воздействием свиностоков была использована математическая модель, проверка которой показала высокую точность аппроксимации. Погрешность аппроксимации составляет 6%.

Прогноз изменения запасов гумуса был сделан с использованием разработанной программы «Гумус» в среде разработки Lazarus на языке Free Pascal (рис. 1). Ядром программы послужила математическая модель. Для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка математической модели использовался метод Рунге-Кутта. Метод Рунге-Кутта имеет погрешность четвертого порядка.

Рис. 1. Вид окна «Прогноз запаса гумуса в почве» программы «Гумус» при расчете прогноза для нормы орошения свиноводческими стоками 100 м³/га

Прогноз орошения свиноводческими стоками ежегодно в течение 20 лет при норме стоков 100 м³/га показал увеличение запаса гумуса в 1,12 раза (с 146,858 т/га до 164 т/га), при норме стоков 200 м³/га - в 1,16 раза (с 146,858 т/га до 171 т/га) (рис. 2), при норме стоков 300 м³/га - 1,21 раза (с 146,858 т/га до 177,87 т/га). свиноводческий тогульский гумус

Рис. 2. Прогноз по запасу гумуса в почве Тогульского района при поливе свиноводческими стоками в течение 20 лет при норме 200 м³/га

Содержание негумифицированного органического вещества свиноводческих стоков при норме 200 м³/га в течение шести лет будет увеличиваться до 0,79 т/га, затем содержание стабилизируется, при норме 300 м³/га в течение семи лет будет увеличиваться до 1,19 т/га, затем содержание стабилизируется (рис. 3).

Рис. 3. Прогноз по запасу гумуса в почве Тогульского района при поливе свиноводческими стоками в течение 20 лет при норме 300 м³/га

Содержание негумифицированного органического вещества свиноводческих стоков в почве при длительном орошении не окажет пагубного влияния на почвы Тогульского района.

Выводы

Отличительной особенностью модели является то, что, наряду с процессами гумификации органических отходов и растительных остатков, учитывается их накопление в почве. С помощью данной модели обосновываются норма и периодичность полива свиноводческими стоками для недопущения ухудшения свойств почв и загрязнения подземных вод.

Прогноз на орошение свиноводческими стоками в течение двадцати лет показал положительное влияние на накопление гумуса в почве Тогульского района и незначительное накопление негумифицированного органического вещества свиноводческих стоков.