sergeogrИзвестия Российской академии наук. Серия географическаяIzvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya2587-55662658-697510.31857/S2587556621030031sergeogr-1338Research ArticleПриродные процессы и динамика геосистемNatural Processes and Dynamics of GeosystemsЗакономерности формирования баланса азота и фосфора на речных водосборах в Центральной лесостепи Русской равнины в 1990–2020 гг.Regularities of the Nitrogen and Phosphorus Balance Formation in River Catchments in the Central Forest-Steppe of the Russian Plain in 1990–2020ДолговС. В.DolgovS. V.

Москва

Moscow

svdolgov1978@yandex.ruШвыдкийВ. О.ShvydkiiV. O.

Москва

Moscow

ШтаммЕ. В.ShtammE. V.

Москва

Moscow

Институт географии РАНРоссияInstitute of Geography, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут биохимической физики РАНРоссияInstitute of Biochemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian FederationФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАНРоссияSemenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian Federation202101092021853355367Copyright © Долгов С.В., Швыдкий В.О., Штамм Е.В., 20212021Долгов С.В., Швыдкий В.О., Штамм Е.В.Dolgov S.V., Shvydkii V.O., Shtamm E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestia.igras.ru/jour/article/view/1338

На основе географо-гидрологического метода и представления о гидрологической ярусности равнинных речных бассейнов выявлены современные особенности формирования водно-биогенного баланса в лесостепной зоне Русской равнины. Определено влияние основных элементов ландшафтно-гидрологической структуры речных бассейнов на содержание биогенов в поверхностном склоновом стоке. Показано, что увеличения поверхностного склонового стока не произошло, несмотря на рост площади урбанизированных территорий, а также площади выведенных из севооборотов сельскохозяйственных угодий с более высоким коэффициентом стока, чем на полях с зяблевой вспашкой. Климатические изменения привели к противоположной тенденции – сокращению стока, с начала 1980-х годов на 69% на уплотненной почве и на 77% на рыхлой пашне. Роль поверхностной составляющей стока в миграции биогенных веществ значительно снизилась, а подземной составляющей, напротив, выросла. С поверхностным стоком с речных водосборов выносится 41% азота и 48% фосфора от величины годового выноса с полным стоком, с подземным стоком – соответственно 59 и 52%. Приведены результаты расчета внутригодового распределения выноса минерального азота и фосфора с поверхностным и подземным стоком с речных водосборов. Выполнена ориентировочная оценка годового водно-биогенного баланса территории Курской области, сложившегося в последнее десятилетие. Показано, что доля природных факторов в приходной его части (по азоту 24%, по фосфору – 6%) значительно меньше доли антропогенных факторов.

On the geographic-hydrological basis and the idea of the plain river basins hydrological stratification modern features of the water-biogenic balance in the forest-steppe zone of the Russian Plain are revealed. The influence of the main elements of river basins’ landscape-hydrological structure on the nutrients content in the surface slope runoff has been determined. It is shown that there was no increase in surface slope runoff in spite of the fact that the urbanized territories’ area as well as the area of agricultural lands removed from crop rotations with a higher runoff coefficient than on fields with autumn plowing increased. Climate change has led to the opposite situation—the surface slope runoff since the early 1980s was declining by 69% on the compacted soil and by 77% on loose arable land. The role of the river runoff surface component in the nutrient’s migration has significantly decreased, while, on the contrary, the underground component role increased. Annually surface runoff removes 41% of nitrogen and 48% of phosphorus, and underground runoff 59 and 52%, respectively. The results of calculating the intra-annual distribution of the mineral nitrogen and phosphorus removal with surface and underground runoff from river catchments are presented. An approximate assessment of the annual water-biogenic balance of the Kursk Oblast territory, formed in the last decade, has been carried out. It is shown that the share of natural factors in its incoming part (nitrogen 17%, phosphorus 6%) is significantly less than that of anthropogenic.

речные бассейныбаланс азота и фосфораантропогенные и природные факторыповерхностная и подземная составляющие стокаКурская областьriver basinsnitrogen and phosphorus balanceanthropogenic and natural factorssurface and underground runoff componentschangesСтатья подготовлена при финансовой поддержке проекта РНФ № 20-17-00209 (разработка методики, расчет водно-биогенного баланса). Анализ роли климатических и антропогенных факторов проведен в рамках темы Госзадания ИГ РАН № 0148-2019-0007. Авторы выражают признательность Е.А. Кашутиной, Е.П. Матафонову, Ю.Ю. Алентьеву за участие в экспедиционных работах, результаты которых использовались при подготовке данной статьи.The research was funded by the Russian Science Foundation according to the project no. 20-17-00209 (methodology development, the water-biogenic balance calculation). The role of climatic and anthropogenic factors was analyzed within the framework of the state-ordered research theme of the Institute of Geography RAS no. 0148-2019-0007. The authors are grateful to E.A. Kashutina, E.P. Matafonov, Yu. Alent’ev for participation in the field works, the results of which were used in the article.ReferencesАгроценозы степной зоны / ред. А.А. Титлянова, В.И. Кирюшин, И.П. Охинько и др. Новосибирск: Наука, 1984. 246 с.Agrotsenozy stepnoi zony [Agrocenoses of the Steppe Zone]. Novosibirsk: Nauka Publ., 1984. 246 p.Барабанов А.Т. Эрозионно-гидрологическая оценка взаимодействия природных и антропогенных факторов формирования поверхностного стока талых вод и адаптивно-ландшафтное земледелие. Волгоград: ФНЦ агроэкологии РАН, 2017. 188 с.Barabanov A.T. Erozionno-gidrologicheskaya otsenka vzaimodeistviya prirodnykh i antropogennykh faktorov formirovaniya poverkhnostnogo stoka talykh vod i adaptivno-landshaftnoe zemledelie [Erosion-Hydrological Assessment of the Interaction of Natural and Anthropogenic Factors in the Formation of Surface Melt Water Runoff and Adaptive Landscape Agriculture]. Volgograd: Fed. Nauchn. Tsentr Agroekol. RAN, 2017. 188 p.Барабанов А.Т., Долгов С.В., Коронкевич Н.И. Влияние современных изменений климата и сельскохозяйственной деятельности на весенний поверхностный склоновый сток в лесостепных и степных районах Русской равнины // Водные ресурсы. 2018. Т. 45. № 4. С. 332–340.Barabanov A.T., Dolgov S.V., Koronkevich N.I. The influence of modern climate changes and agricultural activities on the spring surface slope runoff in the forest-steppe and steppe regions of the Russian Plain. Vodn. Resur., 2018, vol. 45, no. 4, pp. 332–340. (In Russ.).Барабанов А.Т., Долгов С.В., Коронкевич Н.И., Панов В.И., Петелько А.И. Поверхностный сток и инфильтрация в почву талых вод на пашне в лесостепной и степной зонах Восточно-Европейской равнины // Почвоведение. 2018. № 1. С. 74–81.Barabanov A.T., Dolgov S.V., Koronkevich N.I., Panov V.I., Petel’ko A.I. Surface runoff and snowmelt infiltration into the soil on plowlands in the forest-steppe and steppe zones of the East European plain. Eurasian Soil Sci., 2018, vol. 51, pp. 66–72. Doi: 10.1134/S1064229318010039Воскресенский К.П. Норма и изменчивость годового стока рек Советского Союза. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 548 с.Chernyshev E.P., Barymova N.A., Ivanova N.B., Kitaev L.M. Spatio-temporal differentiation of hydrological processes and the associated material exchange in the system “Catchment–River”. In Geografogidrologicheskie issledovaniya [Geo-Hydrological Studies]. Moscow: Inst. Geogr. RAN, MTs GO RF, 1992, pp. 4–26. (In Russ.).Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Эмиссия парниковых газов и аммиака из навоза в процессе уборки и подготовки его к использованию // Вестн. ВНИИМЖ. 2017. № 1 (25). С. 25–33.Dolgov S.V., Koronkevich N.I. Geographic and hydrological study of the aeration zone. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 1999, no. 2, pp. 17–30. (In Russ.).Долгов С.В., Коронкевич Н.И. Географо-гидрологическое изучение зоны аэрации // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1999. № 2. С. 17–30.Dolgov S.V., Koronkevich N.I. Hydrological stratification of the plain territory. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2010, no. 1, pp. 7–25. (In Russ.).Долгов С.В., Коронкевич Н.И. Гидрологическая ярусность равнинной территории // Изв. РАН. Сер. геогр. 2010. № 1. С. 7–25.Dolgov S.V., Koronkevich N.I. Modern changes of nutrients’ removal into the southern forest zone rivers of Volga basin. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2019, no. 5, pp. 43–55. (In Russ.).Долгов С.В., Коронкевич Н.И. Современные изменения выноса биогенных веществ в реки бассейна Волги на юге лесной зоны // Изв. РАН. Сер. геогр. 2019. №5. С. 43–55.Gridnev P.I., Gridneva T.T. Greenhouse gas and ammonia emissions from manure during harvesting and preparation for use. Vestn. VNIIMZh, 2017, vol. 25, no. 1, pp. 25–33. (In Russ.).Закруткин В.Е., Коронкевич Н.И., Шишкина Д.Ю., Долгов С.В. Закономерности антропогенного преобразования малых водосборов степной зоны Юга России (в пределах Ростовской области). Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. ун-та, 2004. 252 с.Khrisanov N.I., Osipov G.K. Upravlenie evtrofirovaniem vodoemov [Management of Water Bodies Eutrophication]. St. Petersburg: Gidrometeoizdat Publ., 1993. 279 p.Коронкевич Н.И. Водный баланс Русской равнины и его антропогенные изменения. М.: Наука, 1990. 205 с.Koronkevich N.I. Vodnyi balans Russkoi ravniny i ego antropogennye izmeneniya [Water Balance of the Russian Plain and its Anthropogenic Changes]. Moscow: Nauka Publ., 1990. 205 p.Назаров Н.А. Оценки эрозионного смыва почв и выноса биогенных элементов с поверхностным стоком талых и дождевых вод в речном бассейне // Водные ресурсы. 1996. Т 23. № 6. С. 645–652.Nazarov N.A. Estimations of soil erosion washout and removal of nutrients with surface runoff of thawed and rainwater in the river basin. Vodn. Resur., 1996, vol. 23, no. 6, pp. 645–652. (In Russ.).Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2015 год / отв. ред. Г.М. Черногаева. М.: Росгидромет, 2016. 223 с.Obzor sostoyaniya i zagryazneniya okruzhayushchei sredy v Rossiiskoi Federatsii za 2015 god [Overview of the State and Pollution of the Environment in the Russian Federation for 2015]. Chernogaeva G.M., Ed. Moscow: Rosgidromet Publ., 2016. 223 p.Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 10. Верхне-Волжский район. Кн. 1. М.: Моск. отд. гидрометеоиздата, 1973.Resursy poverhnostnykh vod SSSR [Surface Water Resources of the USSR]. Vol. 10: Verkhne-Volzhskii raion [Upper-Volga Region]. Yablokov E.Yu., Ed. Moscow: Gidrometeoizdat Publ., 1973, part 1. 239 p.Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот в основных типах растительности земного шара. М.–Л.: Наука, 1965. 254 с.Rodin L.E., Bazilevich N.I. Dinamika organicheskogo veshchestva i biologicheskii krugovorot v osnovnykh tipakh rastitel’nosti zemnogo shara [Dynamics of Organic Matter and Biological Circulation in the Main Types of Vegetation in the World]. Moscow: Nauka Publ., 1965. 254 p.Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. Л.: Наука, 1968. 145 с.Rodin L.E., Remezov N.P., Bazilevich N.I. Metodicheskie ukazaniya k izucheniyu dinamiki i biologicheskogo krugovorota v fitotsenozakh [Methodological Guidelines for Studying the Dynamics and Biological Cycle in Phytocenoses]. Leningrad: Nauka Publ., 1968. 145 p.Семыкин В.А., Пигорев И.Я., Никитина О.В. Баланс элементов питания и гумуса в землях сельскохозяйственного назначения Курской области // Вестн. Курской гос. сельскохоз. академии. 2019. №3. С. 6–11.Semykin V.A., Pigorev I.Ya., Nikitina O.V. Balance of nutrients and humus in agricultural lands of the Kursk region. Vestn. Kursk. Gos. S-kh. Akad., 2019, no. 3, pp. 6–11. (In Russ.).Хрисанов Н.И., Осипов Г.К. Управление эвтрофированием водоемов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 279 с.Shilkrot G.S., Yasinskii S.V. Spatio-temporal variability of the nutrients flow and water quality of a small river. Vodn. Resur., 2002, vol. 29, no. 3, pp. 343–349. (In Russ.).Чернышев Е.П., Барымова Н.А., Иванова Н.Б., Китаев Л.М. Пространственно-временная дифференциация гидрологических процессов и связанного с ними вещественного обмена в системе “водосбор–река” / Географо-гидрологические исследования. М.: ИГ РАН, МЦ ГО РФ, 1992. С. 4–26.Voskresenskii K.P. Norma i izmenchivost’ godovogo stoka rek Sovetskogo Soyuza [Rate and Variability of the Annual Flow of Rivers in the Soviet Union]. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 1962. 548 p.Шилькрот Г.С., Ясинский С.В. Пространственно-временная изменчивость потока биогенных элементов и качества воды малой реки // Водные ресурсы. 2002. Т. 29. № 3. С. 343–349.Yasinskii S.V., Gurov F.N. Method for assessing the characteristics of diffuse pollution of small rivers based on the landscape-hydrological approach (on the example of the Istra river). Vodn. Khozyaistvo Rossii, 2006, no. 2, pp. 41–71. (In Russ.).Ясинский С.В., Гуров Ф.Н. Метод оценки характеристик диффузного загрязнения малых рек на основе ландшафтно-гидрологического подхода (на примере р. Истры) // Водное хозяйство России. 2006. № 2. С. 41–71.Yasinskii S.V., Kashutina E.A., Sidorova M.V., Narykov A.N. Anthropogenic load and the effect of drainage area on the diffuse runoff of nutrients into a large water body: Case study of the Cheboksary reservoir. Water. Resour., 2020, vol. 47, pp. 810–827. doi 10.1134/S009780782005022XЯсинский С.В., Кашутина Е.А., Сидорова М.В., Нарыков А.Н. Антропогенная нагрузка и влияние водосбора на диффузный сток биогенных элементов в крупный водный объект (на примере водосбора Чебоксарского водохранилища) // Водные ресурсы. 2020. Т. 47. № 5. С. 630–648.Zakrutkin V.Ye., Koronkevich N.I., Shishkina D.Yu., Dolgov S.V. Zakonomernosti antropogennogo preobrazovaniya malykh vodosborov stepnoi zony Yuga Rossii (v predelakh Rostovskoi oblasti) [Patterns of Anthropogenic Transformation of Small Catchments of the Steppe Zone of the South of Russia (within the Rostov Region)]. Rostov-on-Don: Rostov. Univ. Publ., 2004. 252 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.