Основными элементами, обусловливающими процесс эвтрофикации, являются фосфор и азот.
Фосфор стимулирует усвоение растениями азота, усиленный рост водорослей, что ведет к порче водоемов. Наибольший рост водных организмов наблюдается при концентрации фосфора 0,09—1,8 мг/л, нитратного азота 0,9—3,5 мг/л. На 1 кг поступившего в водоем фосфора образуется 100 кг фитопланктона.
В результате эвтрофикации происходит усиленное развитие фитопланктона, прибрежных зарослей, водорослей, цветение воды и др. В глубинной зоне усиливается анаэробный обмен, образуются сероводород, аммиак, метан и т. д. Нарушаются окислительно-восстановительные процессы, и возникает дефицит кислорода. Это приводит к гибели ценных рыб и растений, вода становится непригодной не только для питья, но и для купания. Такой эвтрофированный водоем утрачивает свое и хозяйственное, и биогеоценотическое значение. Поэтому борьба за чистую воду является одной из самых злободневных задач всего комплекса проблемы по охране природной среды.
Установлено, что 1 м3 промышленно-бытовых стоков загрязняет 12—15 м3 воды. Период возобновления эвтрофированных вод различный. Подземные воды в слое активного водообмена возобновляются через 300 лет, воды в проточных озерах — 3,5 года, почвенные воды — 9 месяцев, речные воды — полмесяца, водяной пар в атмосфере — через 9 суток.
Существует неправильное мнение, что в реки и водоемы питательные вещества попадают в основном из удобрений. Отечественные и зарубежные исследования показывают, что значительно больше теряется элементов питания из почвы. Фосфор попадает в водоемы главным образом с твердым и жидким стоком. Например, в лаборатории азотных удобрений ВИУА в лизиметрических опытах с 15N установлено, что за 6 лет потери азота удобрений в слое 0—120 см равнялись 13,8—14,9% от остаточного азота почвы, а потери почвенного азота были в 10 раз больше, в среднем они составили 130 кг/га — ежегодно 21,6 кг/га.
В опытах Н. М. Варюшкиной и Л. И. Кирпаневой (1979) также показано, что вымывается в основном природный азот почвы. В течение 8 лет в промывных водах учтено лишь 1—5% внесенного азота. Общие же размеры миграции азота в среднем за год из дерново-подзолистой супесчаной почвы составили 31,9, а на дерново-подзолистой суглинистой — 6,7 кг/га.
За вегетационный период в этих опытах азот сернокислого аммония практически не вымывался, а после уборки урожая содержание меченого азота в промывных водах возрастало. Это объясняется, по-видимому, минерализацией ранее закрепленного в почвах азота.
В. А. Ковда (1976) отмечает, что в речных водах лесных областей умеренного климата содержание нитратов достигает 0,3—0,5 мг/л, а аридного климата — 1,2—1,7 мг/л. В дренажных водах оросительных систем концентрация NO3 обычно 5—6 мг/л, но бывает и 10—15 мг/л. В почвенных растворах засоленных орошаемых почв наблюдалась концентрация NO3 100—300 мг/л. Речные воды густозаселенных районов нитратов содержат иногда до 20—30 мг/л, грунтовые — 10—15 и даже 50—100 мг/л. Наблюдения, проведенные во Франции, ФРГ, Голландии, США, показали, что концентрация нитратов в природных водах около 40—50 мг/л — явление частое. В грунтовых и колодезных водах концентрация нитратов нередко достигает 500—700 и даже 1350 мг/л, что в десятки раз превышает предельную концентрацию, установленную Всемирной организацией здравоохранения (45 мг/л). Известно, что заболевание метагемоглобинемией возникает уже при содержании нитратов в воде 40—50 мг/л; при концентрации, превышающей 95 мг/л, эта болезнь — довольно частое явление.
«Едиными критериями качества воды» в странах — членах СЭВ для поверхностных вод первого класса, используемых для коммунального водоснабжения, нужд пищевой промышленности и разведения ценных пород рыб, в том числе лососевых, предельно допустимое содержание аммонийного азота составляет 0,1 мг/л, нитратного — 1 единица, общих фосфатов — 0,005 мг/л.
Предельно допустимые концентрации азота и фосфора в поверхностных водах в нашей стране пока не установлены. Согласно действующим в СССР правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами, предельно допустимое содержание аммонийного азота для водных объектов, используемых в качестве источников питьевого водоснабжения, составляет 2 мг/л, нитратного азота — 10 мг/л; для водных объектов, используемых в рыбохозяйственных целях, соответственно 0,5 и 9 мг/л.
В районах интенсивного применения азотных удобрений концентрация нитратного азота в питьевой воде довольно часто превышает ПДК. Исследованиями, выполненными в США, показано, что с повышением доз азотных удобрений возрастают концентрации нитратов в дренажной воде и увеличиваются их потери.
Во многих районах США наблюдается повышение концентрации нитратов в грунтовых водах. В некоторых районах штатов Калифорния и Иллинойс содержание нитратов в колодезной воде достигает токсического уровня. Известный эколог Б. Коммонер пишет, что вымывание азота минеральных удобрений уничтожило способность к самоочищению почти всех рек в штате Иллинойс; в Калифорнии сток удобрений повысил содержание нитратов в питьевой воде сверх безопасного предела, установленного органами здравоохранения.
За последнее время усилилось загрязнение грунтовых вод нитратами и в ФРГ. В ряде областей содержание их в питьевой воде превышает установленную ПДК. В этой стране проводятся многочисленные исследования по определению размеров потерь нитратов и путей их предотвращения. Р. Boysen (1977) приводит данные по потерям нитратов в зависимости от разновидности почвы и внесения удобрений. Грунтовые воды на легких почвах в большей степени обогащены нитратами вследствие повышенной инфильтрации.
По данным ученых ГДР, содержание нитратов в грунтовых водах этой страны в настоящее время по сравнению с 1960 г. возросло в 2—5 раз. Установлено, что непосредственными источниками загрязнения грунтовых вод в 1968—1970 гг. в бассейне р. Варнов были 58 земляных силосохранилищ и хранилищ для органических жидких удобрений. Из-за загрязнения в сельских общинах было закрыто 75% всех источников питьевой воды. В настоящее время в ГДР принято законодательство по охране водных источников от загрязнения с установлением соответствующих стандартов и параметров.
Избыток биогенных веществ в водоемах приводит к угнетению и гибели рыбы. Деятельность человека ускоряет этот процесс, в результате чего борьба с антропогенной эвтрофикацией природных вод становится одной из важнейших проблем современности. Биогенные элементы, прежде всего азот и фосфор, могут попадать в водоемы с промышленными и бытовыми сточными водами, со стоками с сельскохозяйственных угодий, в результате биологической фиксации азота и т. д. Это вызывает чрезмерное развитие альгофлоры, приводит к дефициту кислорода, созданию в водоеме анаэробных условий и в конечном счете к резкому ухудшению качества воды. Доказательством развития процесса эвтрофикации является усиленное развитие фитопланктона.
По данным исследований, проведенных в ГДР, установлено, что содержание питательных элементов в водоемах в результате деятельности человека увеличилось в настоящее время в 50—500 раз по сравнению с 1900 г. Высокие темпы эвтрофикации водоемов обусловлены широким применением минеральных удобрений. Количество фосфора и азота удобрений, обнаруживаемое в водоемах, составляет соответственно 1—5 и 10—25% их количества, внесенного на поля. Учеными ГДР доказано, что оптимальной способностью удерживать питательные вещества от вымывания обладает лес, затем в убывающем порядке следуют сенокосы и пастбища, пахотные земли, пар.
В ГДР земли с уклоном 12—18% рекомендуется использовать под сенокосы и пастбища, а с уклоном более 18% — под лесопосадки. Для снижения выноса питательных веществ с сельскохозяйственных угодий в этой стране считается необходимым выполнять следующие мероприятия: азотные удобрения вносить в оптимальные сроки, соблюдать нормы запасного внесения фосфорных удобрений, основное удобрение вносить весной после таяния снега, азотные удобрения применять в строгом соответствии с длиной вегетационного периода культуры, предотвращать водную эрозию в водосборном бассейне водоемов, на склонах возделывать культуры, ограничивающие развитие эрозии почвы. Все это увязывается с технологией возделывания сельскохозяйственных культур, так как вынос питательных веществ в значительной мере зависит от доз удобрений, количества атмосферных осадков, свойств почвы, рельефа, способа ведения хозяйства.
Опасность эвтрофикации водных источников создают также отходы животноводства, особенно на крупных животноводческих комплексах промышленного типа. В этом случае накапливается много бесподстилочного навоза, который часто вносят в высоких дозах на небольшой сельскохозяйственной площади, в результате чего большое количество биогенных элементов попадает в природные водоемы. Поэтому с развитием строительства животноводческих комплексов промышленного типа с бесподстилочным содержанием скота все острее становится проблема охраны окружающей среды, особенно предотвращение загрязнения различных водоемов и рек. Этим вопросам уделяется большое внимание в разных странах. При выборе места для строительства комплекса важно учитывать водопроницаемость почвы, уклон поверхности, направление стока, расстояние до водоемов, населенных пунктов, мест отдыха и т. д.
Многочисленные опыты свидетельствуют, что правильным применением бесподстилочного навоза потери биогенных элементов в окружающую среду, в том числе и в водные источники, можно свести к минимуму. Прежде всего, важно учитывать дозы, сроки и способы внесения навоза с учетом свойств и плодородия почвы, рельефа местности, потребностей культур в питательных элементах на планируемый урожай.
Многолетним изучением факторов эвтрофикации Иваньковского водохранилища Калининской области установлено довольно высокое содержание в нем азота и фосфора. Это обусловлено, с одной стороны, относительно высоким содержанием биогенных элементов в весенних подах, заполнявших водохранилище, а с другой — непрерывным пополнением запаса биогенных элементов сточными водами г. Калинина. Содержание этих элементов в воде носит сезонный характер. Весной из минеральных форм азота преобладают нитраты. Летом содержание нитратного азота снижается, а содержание аммонийного азота находится на таком же уровне, как весной. За годы наблюдений не отмечалось достоверного увеличения содержания общего фосфора и азота в водах весеннего поверхностного стока.
Можно привести пример и по Дубоссарскому водохранилищу, которое с прилегающими к нему участками Днестра является основным источником централизованного питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения населения, промышленности и сельского хозяйства приднестровских районов Молдавской ССР и Украинской ССР, в том числе и таких крупных городов, как Кишинев, Одесса и др.
В этом водохранилище содержание общего азота в воде в 1962 г. составляло в среднем 0,65 мг/л, а в 1971—1973 гг. оно возросло до 1,51 мг/л, или в 2,3 раза. Только за указанные годы каждый литр воды водохранилища под влиянием поступающих сточных вод и поверхностного стока обогащался азотом на 0,27 мг, а водохранилище в целом за год — примерно на 2270 т, что эквивалентно внесению 6480 т аммиачной селитры или 960 кг/га водной площади. Такое изобилие азота в воде при наличии большого количества фосфора привело к интенсивному развитию фитопланктона. Среднегодовая концентрация суммарного фосфора в воде водохранилища за 1971—1973 гг. составляла лишь 0,074 мг/л. Каждый литр воды водохранилища под влиянием сбрасываемых в него сточных вод и поверхностного стока обогащался фосфором на 0,022 мг/л, а водохранилище в целом за год — примерно на 185 т, что экивалентно внесению 2310 т суперфосфата, или 342 кг/га водной поверхности. В целом же указанное выше среднегодовое содержание фосфора в воде водохранилища почти в 3 раза меньше оптимальной концентрации (0,20 мг/л), при которой в экспериментальных условиях происходит массовое развитие фитопланктона. При оптимальных концентрациях азота (минимум 1,50 мг/л) и других благоприятных условиях вода в водохранилище находится в состоянии цветения только в отдельные периоды, когда концентрация фосфора повышается до 0,20 мг/л и больше.
Зарегулирование Днепра привело к интенсивному развитию в водохранилищах фитопланктона, в частности, синезеленых водорослей, которые потребляют азот и фосфор как в органической, так и в минеральной форме.
Многолетние исследования показывают, что в отдельные годы в водохранилища с промышленными и бытовыми стоками поступает до 36,4 тыс. т азота и 3,6 тыс. т фосфора, что примерно равно их поступлению с речным стоком. Количество азота и фосфора, которое может попасть в водохранилище с водосборной площади Днепра при стоке с сельскохозяйственных угодий, составляет: азота 32—202 тыс. т, фосфора 10—17 тыс. т. Расчетное увеличение концентраций азота составит 1,56—2,66 мг/л, фосфора 0,12—0,33 мг/л. В связи с этим для уменьшения выноса азота и фосфора с удобряемых полей рекомендуются пересмотр доз удобрений, рациональное сочетание органических и минеральных удобрений, совершенствование технологии их применения, посадка полезащитных полос, правильная обработка земли, запрещение вспашки земель вдоль крутых склонов, расширение применения закрытого дренажа.
Опыт по уменьшению потерь от вымывания нитратов проведен в Индии. Там выращивали кукурузу с промежуточной бобовой культурой — маш. Под кукурузу вносили N120P26K25, под маш — N12P11. Под кукурузу мочевину вносили в три срока (при посеве, при высоте растений 50—60 см и в фазу образования метелок). Под маш всю дозу вносили при посеве. Установлено, что посев промежуточной культуры значительно снижал потери нитратов при вымывании. Наименьшее количество неиспользованных нитратов и их выщелачивание за пределы корневой системы (на глубине 180 см) отмечалось на варианте, где основная культура получала рекомендованные дозы удобрений, а промежуточная — 50% дозы. В этом случае содержание нитратов в почве на глубине 180 см было 29 кг/га. При выращивании кукурузы без промежуточной культуры вымывание нитратов было наибольшим (81 кг/га). В варианте, где маш не удобряли, потери нитратов составили 58 кг/га, а там, где маш получал 1/4 рекомендованной дозы,— 40 кг/га.
По данным исследований, проведенных в Эстонии, с 1970 г. резко повысилась концентрация питательных веществ в малых реках. В реках, пересекающих лесные ландшафты, концентрация фосфора составляет 0,01—0,03 мг/л, в сельскохозяйственных районах весной она доходит до 0,12—0,16 мг/л. Значительно повышается концентрация азотистых соединений, особенно нитратного азота. В реках лесных районов концентрация нитратов колеблется в пределах 1—3 мг/л, а в сельскохозяйственных районах весной в 10—20 раз больше (15—20 мг/л). При правильной агротехнике вынос фосфора с земель сельскохозяйственных районов резко снижается и составляет лишь 0,4%, а вынос азота — 16% от внесенного количества. Основная часть биогенных элементов (80—90% годовой нагрузки) попадает в воду весной с талыми водами. Причиной повышенного содержания биогенных элементов в воде Э. Лойгу считает разбрасывание основного количества удобрений весной по снегу или по замерзшей почве; это приводит к значительному смыву питательных элементов. Уменьшить потери элементов с сельскохозяйственных угодий оказалось возможным при соблюдении технологии, а также оптимальных сроков внесения удобрений.
Опытами с зимним и ранневесенним внесением минеральных удобрений и извести определено, что в годы с пониженной инфильтрацией на полях даже с незначительным уклоном (0,008—0,014%) со стоковыми водами выносилось 50—100% аммиачной селитры, 40—70% калия, 30—40% фосфора, 40 60% извести от внесенного количества. Причиной обильного поверхностного стока является наличие ледяной корки на поверхности почвы. Во избежание больших потерь питательных элементов с талыми водами и загрязнения водоемов рекомендуется вносить удобрения после оттаивания почвы и сброса избыточной воды из пахотного слоя.
Исследования по потерям питательных элементов удобрений проведены и в Чехословакии. После семичасового орошения в промывных водах определяли содержание основных элементов питания на удобренных и неудобренных участках под различными сельскохозяйственными культурами. Исследования показали, что без удобрения потери азота колебались от 2,5 кг под многолетними травами до 22,3 кг/га под картофелем. На удобренном фоне потери азота резко возрастали — с 33 кг/га под пшеницей до 58 кг/га по лущеной стерне.
С поверхностным стоком потери азота были значительно меньшими: без удобрения 0,3—1 кг/га, на удобренном фоне 1,6—12,3 кг/га, в зависимости от возделываемой культуры. Потери фосфора без удобрения составляли 0,2—0,6 кг/га, на удобренном фоне они возрастали в среднем в 2,7 раза, а со стоковыми водами соответственно 0,09—0,11 кг/га и 0,10—0,75 кг/га, в зависимости от возделываемой культуры, т. е. были незначительными. Применение удобрений увеличило также потери калия с 17—55 до 42—66 кг/га, а с жидким стоком с поверхности почвы эти потери соответственно были 0,17—7 кг (без удобрения) и 10—13 кг/га по удобренным вариантам.
При внесении удобрений увеличивалось вымывание питательных веществ с пахотных земель после восьмичасового орошения в среднем: азота в 3,8 раза, фосфора в 2,7, калия в 1,7, кальция в 1,9, натрия в 1,6, хлора в 2,2 раза. Потери питательных элементов в результате смыва поверхностными водами были значительно меньшими. Если принять потери при миграции по профилю почвы за 100%, то смыв на удобренном фоне составил: азота 12%, фосфора 28, калия 17, кальция 15, натрия 9, хлора 6%.
Для предотвращения антропогенной эвтрофикации необходима очистка промышленных и бытовых стоков от излишков минеральных соединений азота и фосфора, а также разработка технологии рационального использования минеральных удобрений, которая сводила бы к минимуму поступление азота и фосфора в водоемы.
Проблема борьбы с эвтрофикацией природных вод имеет важное народнохозяйственное значение. Она требует комплексного исследования с участием ученых смежных отраслей науки всех стран мира, так как ухудшение качества природных вод под действием этого процесса принимает угрожающие размеры. Нарастает содержание фосфатов и нитратов в водоемах как Северной Европы, так и Северной Америки. Так, концентрация общего фосфора в озере Констанц возросла с 4—5 мг/м3 в 1935—1936 гг. до 90 мг/м3 в 1975 г., в связи с чем численность водорослей увеличилась в 25 раз. В озере Вашингтон содержание фосфатов с 8 мг/м3 в 1933 г. увеличилось до 40 мг/м3 в 1962 г. Предполагается, что 70—80% фосфорных соединений в эти водоемы поступает из городских сточных вод, а остальные смываются с полей.
В эвтрофикации поверхностных вод в штате США Висконсин на долю сточных вод приходится 59%, стока с городских земель—10%, стока с сельских удобряемых земель — 21%, других пахотных земель — 3%, непахотных земель — 3%, других источников (грунтовые воды, атмосферные осадки и т. д.) — 4%. В результате жидкого стока с окультуренных почв в поверхностные водоемы фосфора поступало более 1/5 части от суммарной эвтрофикации. Основным же источником (59%) эвтрофикации водоемов фосфором в штате являются городские сточные воды, обогащенные фосфором моющих средств.
В США установлены следующие ПДК различных загрязняющих веществ в сбрасываемых водах, поступающих в реки (в мг/л): мышьяк 0,05, барий 1, кадмий 0,010, хром 0,05, свинец 0,05, ртуть 0,002, нитраты 10, селен 0,01, серебро 0,05, фтор 1,4—2,4.
По мнению шведских ученых, умеренная эвтрофикация стимулирует развитие планктона и рыбных ресурсов, а избыточная приводит к порче воды и гибели рыбы. Основным загрязнителем вод в стране является нитратный азот. В водоемах происходит непрерывный процесс денитрификации нитратов и биологической фиксации азота синезелеными водорослями. Ограничивающим фактором биологической продуктивности водоемов является низкое соотношение азота и фосфора. В водоемах чаще недостаточно фосфора, и его потери из почвы (обычно малые) оказывают положительное влияние на биологическую продуктивность водоемов. В Швеции для защиты поверхностных вод от загрязнения иногда ограничивают применение азотных удобрений. В ГДР проведено исследование влияния интенсивного применения удобрений на эвтрофикацию источника питьевой воды на охраняемой территории.
В жидком стоке после дождя РO4 содержалось 0,83—2,97 мг/л, в стоке талых вод — 3,43—11,29 мг/л. С поверхностным стоком терялось 9,7% внесенного азота. Для снижения потерь азота не рекомендуется вносить его больше 250 кг/га. Норму азота более 100 кг/га следует вносить дробно. Не рекомендуется внесение больших разовых количеств фосфора в запас.
Вследствие ускоренной эвтрофикации в глубинных водах Балтики быстро возрастает содержание биогенных элементов. Так, количество фосфатов в ряде мест за 15 лет (с 1954 по 1968) увеличилось в 2,5 раза, а содержание аммиачного азота в течение 30—35 лет — более чем в 10 раз. Особенно сильно выражен процесс эвтрофикации в прибрежных водах Балтики, куда впадают крупные реки. Это обусловлено обильным притоком богатой питательными солями и взвесью пресной воды с обширной водосборной площади (3400 км2), где ведутся интенсивные мелиоративные работы и в большом количестве применяются минеральные удобрения. Поэтому только коллективные усилия всех стран бассейна Балтийского моря могут привести к положительным результатам по предотвращению его загрязнения биогенными элементами.
В нашей стране применяются эффективные меры по охране чистоты вод рек и морей. ЦК КПСС и Советом Министров СССР в 1976 г. принято постановление «О мерах по предотвращению загрязнения бассейнов Черного и Азовского морей». В нем отмечается, что в результате строительства на ряде предприятий, в городах и на курортах, расположенных в бассейнах Черного и Азовского морей, эффективных очистных и водоохранных сооружений, а также) осуществления комплекса технологических мероприятий по сокращению количества неочищенных сточных вод и прекращению загрязнения водоемов значительно уменьшился сброс в реки и другие водоемы указанных бассейнов неочищенных сточных вод и отходов производств.
Министерствам и ведомствам, в ведении которых находятся предприятия и организации, сбрасывающие неочищенные сточные воды в реки и другие водоемы бассейнов Черного и Азовского морей, установлены задания по проведению мероприятий в целях полного прекращения сброса неочищенных сточных вод в эти реки и водоемы путем внедрения прогрессивной технологии производства, предотвращающей загрязнение внешней среды, комплексной переработки сырья, утилизации промышленных отходов и строительства эффективных очистных сооружений и обезвреживающих установок.
Известны случаи, когда умеренно эвтрофицированные озера более продуктивны и обладают лучшими условиями для рыбного промысла. В практике рыбоводства озера и пруды иногда специально удобряют для повышения рыбной продуктивности.
Р. Риклефс (1979) приводит следующие данные. Из олиготрофных (бедных планктоном) Великих Озер США ежегодно получают лишь 1,2—8 кг рыбы с 1 га площади; небольшие эвтрофные (богатые планктоном) озера в США дают выход рыбы в год до 180 кг/га, в ФРГ и на Филиппинах, где пруды искусственно удобряют, уловы рыбы достигают 1100 кг/га в год. Таким образом, умеренная эвтрофикация водоемов не оказывает отрицательного действия на водную экосистему. Попадание в водоемы большого количества биогенных элементов может нарушить нормальное функционирование сообществ, что проявляется в цветении и быстром росте водорослей, которые, накапливаясь в большом количестве, гибнут и разлагаются. Это истощает запасы в воде кислорода, иногда настолько сильно, что задыхаются и гибнут рыбы и другие обитатели водоема. Результаты исследований эвтрофикации привели к выводу, что цветение водорослей возникает только в тех случаях, когда концентрация фосфора в воде превышает 0,01 мг/л. Природные водоемы могут вернуться в свое первоначальное состояние, если поступление в них посторонних веществ будет прекращено.
Представляет интерес опыт Эстонской ССР по предотвращению эвтрофикации природных водных источников. Там создана Проблемная комиссия по изучению антропогенной эвтрофикации внутренних водоемов республики, в которую вошли ученые и представители различных министерств и ведомств.
Установлено, что среди факторов, обусловливающих антропогенную эвтрофикацию малых рек, главную роль играют сточные воды пищевой промышленности, а основной причиной загрязнения заливов и озер является сток с сельскохозяйственных земель. Для ограничения стока предлагается запретить внесение удобрений на поля зимой на замерзшую почву или снег, а также самолетами вблизи границ заповедников и в юго-восточной Эстонии, рекомендуется удобрять поля до вспашки зяби.
Многочисленные исследования показывают, что загрязнение природных вод биогенными элементами происходит прежде всего в тех случаях, когда нарушается технология применения удобрений. Поэтому меры, направленные на совершенствование систем удобрения, а также улучшение свойств и качества удобрений являются одновременно и мерами предотвращения загрязнения природных вод питательными элементами.