Гістерезис нітратних сполук на малому водозборі лісостепової зони України
DOI:
https://doi.org/10.24028/gj.v46i4.306510Ключові слова:
гістерезис, нітратні сполуки нітрогену, водопілля, дощовий паводок, сільськогосподарський водозбірАнотація
Мета дослідження — визначення зв’язку між витратами води та концентрацією нітратних сполук нітрогену в річці під час водопілля та дощових паводків. Дослідження проводили на малому експериментальному водозборі в лісостеповій зоні України, більша частина якого використовується для аграрного виробництва.
Метод аналізу гістерезису нітратних сполук дозволив отримати нову інформацію про особливості їхнього надходження під час формування водного стоку.
Швидке вимивання добре розчинних сполук нітрогену призводило до утворення гістерезису за годинниковою стрілкою під час більшості подій. Гістерезис проти годинникової стрілки спостерігався за умов стрімкого сніготанення і утворення поверхневого стоку на замерзлому ґрунті, або при поєднанні снігового і дощового живлення під час тривалого водопілля. У цьому випадку переважало транспортування сполук нітрогену з віддалених частин схилів. За умови поєднання сніготанення з дощами або затяжних дощів літнього періоду утворювався дво-піковий гідрограф, а індекс гістерезису другого з них був значно меншим за перший. На площу петлі гістерезису істотним чином впливають умови попереднього зволоження.
Посилання
Luzovitska, Y.A., & Osadcha, N.M. (2014). Features of the diffuse supply of nutrients to aquatic ecosystems. Geo-politics and Ecogeodynamics of Regions, 10(1), 157—161 (in Ukrainian).
Materials of the Boguslav Field Experimental Hydrological Base Observations. (1990). Kyiv: State Committee for Hydrometeorology of Ukraine, 25, 162 p. (in Ukrainian).
Nabyvanets, B.Y., Osadchyi, V.I., Osadcha, N.M., & Nabyvanets, Y.B. (2007). Analytical chemistry of surface wa-ters. Kyiv: Naukova Dumka, 456 p. (in Ukrainian).
Aich, V., Zimmermann, A., & Elsenbeer, H. (2014). Quantification and interpretation of suspended-sediment dis-charge hysteresis patterns: how much data do we need? Catena, 122, 120—129. https://doi.org/10.1016/j.catena.2014.06.020.
Andermann, Ch., Longuevergne, L., Bonnet, S., Crave, A., Davy, Ph., & Gloaguen, R. (2012). Impact of transient ground waters to rage on the discharge of Himalayan rivers. Nature Geoscience, 5(2), 127—132. https://doi.org/10.1038/NGEO1356.
Carpenter, S.R., Caraco, N.F., Correll, D.L., Hovarth, R.W., Sharpley, A.N., & Smith, V.H. (1998). Nonpoint pollu-tion of surface waters with phosphorus and nitrogen. Ecological Applications, 8(3), 559—568. https://doi.org/10.1890/1051-0761(1998)008[0559:NPOSWW]2.0.CO;2.
Chen, N., Wu, J., & Hong, H. (2012). Effect of storm events on riverine nitrogen dynamics in a subtropical water-shed, southeastern China. Sci. Total Environment, 431, 357—365. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.05.072.
Coles, A.E., & McDonnell, J. (2018). Fill and spill drives runoff connectivity over frozen ground. Journal of Hy-drology, 558, 115—128. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.01.016.
Fovet, O., Ruiz, L., Hrachowitz, M., Faucheux, M. & Gascuel-Odoux, C. (2015). Hydrological hysteresis and its value for assessing process consistency in catchment conceptual models. Hydrology and Earth System Sciences, 19(1), 105—123. https://doi.org/10.5194/hess-19-105-2015.
Gharari, S., & Razavi, S. (2018). A review and synthesis of hysteresis in hydrology and hydrological modeling: Memory, path-dependency, or missing physics? Journal of Hydrology, 566(24), 500—509. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.06.037.
Grizzetti, B., Bouraoui, F., Billen, G., van Grinsven, H., Cardoso, A.C., Thieu, V., Garnier, J., Curtis, C., Howarth, R.W., & Johnes, P. (2011). Nitrogen as a threat to European water quality. In M.A. Sutton, C.M. Howard, J.W. Erisman, G. Billen, A. Bleeker, P. Grennfelt, H. van Grinsven, B. Grizzetti (Eds.), European Nitrogen Assessment (pp. 379―404). Cambridge University Press, UK.
Hrachowitz, M., Savenije, H., Bogaard, T.A., Tetzlaff, D., & Soulsby, C. (2013a). What can fluxtracking teach us about water age distribution patterns and their temporal dynamics? Hydrology and Earth System Sciences, 17, 533—564. https://doi.org/10.5194/hess-17-533-2013.
Hrachowitz, M., Savenije, H.H.G., Blöschl, G., McDonnell, J.J., Sivapalan, M., Pomeroy, J.W., Arheimer, B., Blume, T., Clark, M.P., Ehret, U., Fenicia, F., Freer, J.E., Gelfan, A., Gupta, H.V., Hughes, D.A., Hut, R.W., Montanari, A., Pande, S., Tetzlaff, D., Troch, P.A., Uhlenbrook, S., Wagener, T., Winsemius, H.C., Woods, R.A., Zehe, E., & Cudennec, C. (2013б). A decade of Predictions in Ungauged Basins (PUB) — a review. Hydrological Sciences Journal, 58(6), 1198—1255. https://doi.org/10.1080/02626667.2013.803183.
Lawler, D.M., Petts, G.E., Foster, I.D.L., & Harper, S. (2006). Turbidity dynamics during spring storm events in an urbanhead water river system: The Upper Tame, West Midlands, UK. Science Total Environ, 360(1-3), 109—126. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2005.08.032.
Lloyd, C.E.M., Freer, J.E., Johnes, P.J., & Collins, A.L. (2016). Using hysteresis analysis of high-resolution water quality monitoring data, including uncertainty, to infer control son nutrient and sediment transfer in catchments. Science Total Environment, 543(A), 388—404. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.11.028.
Lloyd, C.E.M., Freer, J.E., Johnes, P.J., & Collins, A.L. (2015). Technical Note: Testing an improved index for ana-lysing storm nutrient hysteresis. Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 12, 7875—7892. https://doi.org/10.5194/hessd-12-7875-2015.
Luzovitska, Yu., Osadcha, N., & Ukhan, O. (2021). Experimental studies of nitrogen fertilizers emissions from the catchment area. Proc. of the 15th Int. Conf. Monitoring of Geological Processes and Ecological Condition of the Environment (pp. 1—5). https://doi.org/10.3997/2214-4609.20215K2016.
Mai, M.M., Santucci, S., & Pontuale, G. (2018). Hysteresis Modeling. In Encyclopedia of Complexity and Systems Science.
Malutta, S., Kobiyama, M., Borges, P.L.Ch. & Bonuma N.B. (2020). Hysteresis analysis to quantify and qualify the sediment dynamics: state of the art. Water Science and Technology, 81(12). https://doi.org/10.2166/wst.2020.279.
Milan, M., Nina, A., Peeters, F., Wengrat, S., Wessels, M. & Straile, D. (2022). Clockwise hysteresis of diatoms in response to nutrient dynamics during eutrophication and recovery. Limnology and Oceanography, 67, 2088—2100. https://doi.org/10.1002/lno.12190.
Morris, K.A. (2012). What is Hysteresis? Applied Mechanics Reviews, 64(5), 050801. https://doi.org/10.1115/1.4007112.
O’Kane, J.P., & Flynn, D. (2007). Thresholds, switches and hysteresis in hydrology from the pedon to the catchment scale: a non-linear systems theory. Hydrology and Earth System Sciences, 11(1), 443—459. https://doi.org/10.5194/hess-11-443-2007.
Ockenden, M.C., Hollaway, M.J., Beven, K.J., Collins, A.L., Evans, R., Falloon, P.D., Forber, K.J., Hiscock, K.M., Kahana, R., Macleod, C.J.A., Tych, W., Villamizar, M.L., Wearing, C., Withers, P.J.A., Zhou, J.G., Barker, P.A., Burke, S., Freer, J.E., Johnes, P.J., & Haygarth, P.M. (2017). Major agricultural changes required to mitigate phosphorus losses under climate change. Nature Communications, 8(1), 161. https://doi.org/10.1038/s41467-017-00232-0.
Osadcha, N., Osadchyy, V, Lutkovsky, V, Luzovitska, Yu., & Artemenko, V. (2014). Experimental research and mathematical modeling of nutrients release in a small watershed. Die Bodenkultur Journal for Land Manage-ment, Food and Environment, 65(3—4), 5—11.
Outram, F.N., Lloyd, C.E.M., Jonczyk, J., Benskin, C.McW.H., Grant, F., Perks, M.T., Deasy, C., Burke, S.P., Col-lins, A.L., Freer, J., Haygarth, P.M., Hiscock, K.M., Johnes, P.J., & Lovett, A.L. (2014). High-frequency moni-toring of nitrogen and phosphorus response in three rural catchments to the end of the 2011—2012 drought in England. Hydrology and Earth System Sciences, 18, 3429—3448. https://doi.org/10.5194/hess-18-3429-2014.
Paerl, H.W., & Otten, T.G. (2013). Harmful cyanobacterial blooms: causes, consequences, and controls. Microbial Ecology, 65(4), 995—1010. https://doi.org/10.1007/s00248-012-0159-y.
Ross, C.A., Moslenko, L.L., Biagi, K.M., Oswala, C.J., Wellen, C.C., Thomas, J.L., Raby, M., & Sorichetti, R.J. (2022). Total and dissolved phosphorus losses from agricultural headwater steams during extreme runoff events. Science of the Total Environment, 848. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157736.
Schindler, D.W. (2006). Recent advances in the understanding and management of eutrophi¬ca¬tion. Limnology and Oceanography, 51, 356—363. https://doi.org/10.4319/lo.2006.51.1_part _2.0356.
Shanley, J.B, Sebestyen, S.D., McDonnell, J.J, McGlynn, B.L, & Dunne, T. (2015). Water’s Wayat Sleepers River watershed-revisiting flow generation in a post-glacial landscape, Vermont USA. Hydrological Processes, 29, 3447—3459. https://doi.org/10.1002/hyp.10377.
Siwek, J, Siwek, J., & Żelazny, M. (2013). Environmental and landuse factors affecting phosphate hysteresis pat-terns of stream water during flood events (Carpathian Foothills, Poland). Hydrological Processes, 27(25). https://doi.org/10.1002/hyp.9484.
Siwek, J., Szyma´nski, W., Siwek, J., Zelazny, M., & Klimek, M. (2021). Linking soils and streams during events: response of stream water K+ concentration to soil exchangeable K+ concentration in small catchments with fragipan soils (Carpathian Foothills, Poland). Journal of Hydrology and Hydromechanics, 69(1), 49—64. https://doi.org/10.2478/johh-2020-0037.
Smith, V.H., Schindler, D.W., & Havens, K.E. (2010). Eutrophication: impacts of excess nutrient inputs on fresh water, marine, and terrestrial ecosystems. Environmental Pollution, 100(1-3), 179—196. https://doi.org/10.1016/S0269-7491(99)00091-3.
Williams, G.P. (1989). Sediment concentration versus water discharge during single hydrologic events in rivers. Journal of Hydrology, 111(1-4), 89—106. https://doi.org/10.1016/0022-1694(89)90254-0.
Zuecco, G., Penna, D., Borga, M. & van Me¬er¬veld, H.J. (2016). A versatile index to characterize hysteresis between hydrological variables at the run off event time scale. Hydrological Processes, 30(9), 1449—1466. https://doi.org/10.1002/hyp.10681.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Natalia Osadcha, Andrii Bonchkovsky, Valery Osypov, Volodymyr Osadchyi
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
1. Автори зберігають за собою авторські права на роботу і передають журналу право першої публікації разом з роботою, одночасно ліцензуючи її на умовах Creative Commons Attribution License, яка дозволяє іншим поширювати дану роботу з обов'язковим зазначенням авторства даної роботи і посиланням на оригінальну публікацію в цьому журналі .
2. Автори зберігають право укладати окремі, додаткові контрактні угоди на не ексклюзивне поширення версії роботи, опублікованої цим журналом (наприклад, розмістити її в університетському сховищі або опублікувати її в книзі), з посиланням на оригінальну публікацію в цьому журналі.
3. Авторам дозволяється розміщувати їх роботу в мережі Інтернет (наприклад, в університетському сховище або на їх персональному веб-сайті) до і під час процесу розгляду її даними журналом, так як це може привести до продуктивної обговоренню, а також до більшої кількості посилань на дану опубліковану роботу (Дивись The Effect of Open Access).
