Перспективные приемы мелиорации в борьбе с деградацией орошаемых земель (на примере Саратовской области)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(25), 2017 г., [131-145]

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРИЕМЫ МЕЛИОРАЦИИ В БОРЬБЕ С ДЕГРАДАЦИЕЙ ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ (НА ПРИМЕРЕ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ)

А.С. Фалькович

Н.А. Пронько, В.В. Корсак

Аннотация

Целью исследований являлось изучение перспективных приемов мелиорации по борьбе с деградацией орошаемых земель (подъемом уровня грунтовых вод, вторичным засолением, дегумификацией и др.). Исследования в данном направлении проводились в сухостепной зоне Саратовского Заволжья на землях нескольких хозяйств. Разработка методов и способов ведения комплексного ГИС-мониторинга осуществлялась на базе ЗАО «Агрофирма «Волга». Объектом исследований были деградированные (гидроморфные, осолонцованные, засоленные, трещиноватые) орошаемые темно-каштановые почвы. Проведено прогнозирование водного и солевого режимов на основе математического моделирования влаго- и солепереноса в почвах и грунтах зоны аэрации. Экспериментальными исследованиями установлено, что функции влагопроводности и водоудерживания темно-каштановых почв существенно трансформируются при изменении типа водного питания и состава почвенного поглощающего комплекса. Весьма эффективным приемом восстановления деградированных земель является сидерация. Увеличение общей пористости от 46,14 до 47,49 % (контроль - 43,68-43,89 %), пористости аэрации от 19,09 до 20,25 % (контроль - 16,63-16,84 %), доли агрономически ценных (50,9-56,8 % по отношению к контролю - 48,3-53,8 %) и водопрочных агрегатов (30,2-38,1 % по отношению к контролю - 26,2-29,6 %) приводит к возрастанию водоудерживающей способности корнеобитаемого слоя почвы; уменьшению трещиноватости верхнего слоя почвы и связанному с этим сокращению потерь воды на инфильтрацию по преимущественным путям фильтрации. Информационная система мониторинга солевого режима орошаемых земель для условий Саратовского Заволжья разработана в виде геоинформационной модели солевого режима, основными компонентами которой являются: база данных и знаний, предназначенных для прогнозирования солевого режима; программы для определения параметров водного и солевого режима; средства прогнозирования солевого режима - компьютерные реализации математических моделей влаго- и солепереноса; цифровая карта контролируемых угодий и прилегающих земель.

Ключевые слова: деградация, вторичное засоление, осолонцевание, мелиорация, сидерация, геоинформационная модель солевого режима.

Annotation

почва аэрация солевой водный

A. S. Falkovich National Research Saratov State University named after N. G. Chernyshevsky, Saratov, Russian Federation

N. A. Pronko, V. V. Korsak Saratov State Agrarian University named after of N. I. Vavilov, Saratov, Russian Federation

THE ADVANCED WAYS OF RECLAMATION IN SOLVING THE PROBLEM OF IRRIGATED LAND DEGRADATION (BY THE EXAMPLE OF SARATOV REGION)

The aim of research was to study the advanced reclamation techniques to deal with the irrigated land degradation (the rise of the groundwater, resalting, dehumification etc.). Research in this direction was undertaken in some farms in the dry steppe zone of Saratov Trans-Volga region. Development of techniques and methods of integrated GIS-based monitoring was carried out on the basis of Shareholders Company Limited “Agroindustrial firm Volga”. The object of research was degrated (hydrogenic, solonized, saline, fractured) irrigated dark chestnut soils. The prediction of water-salt regimes on the basis of mathematical modeling of moisture and salt transfer in aeration zone soils was carried out. Experimental studies have shown that the function of hydraulic conductivity and water retention of dark chestnut soils are substantially transformed by changing water nutrition type and soil absorption complex composition. A very effective method of restoring degraded land is a Green manuring. The increase of total porosity from 46.14 to 47.49 % (control - 43.68-43.89 %), aeration porosity from 19.09 to 20.25 % (control - 16.63-16.84 %), the proportion of agriculturally valuable (50.9-56.8 % relative to control - 48.3-53.8 %) and water-resistant aggregates (30.2-38.1 % relative to control - 26.2-29.6 %) leads to increased water retention of root layer; reduction of topsoil fractures and the associated water saving due to infiltration by a primary seepage paths. Information system for monitoring salt regime of irrigated land for the conditions of Saratov Trans-Volga region is designed as a salt regime geoinformation model which main components are: database and knowledge base, designed to predict the salt regime; programs to determine the water-salt regime parameters; salt regime predictive aids - computer implementation of moisture and salt transfer mathematical models; digital map of controlled and adjacent lands.

Keywords: degradation, resalting, alkalinization, reclamation, Green manuring, geoinformation model of salt regime.

Введение

При широкой ирригации произошло значительное изменение водно-солевого баланса и условий почвообразования агроландшафтов юга России. В практике поливного земледелия часто поливы проводились бесконтрольно, без учета влажности почвы и состояния растений, завышенными поливными и оросительными нормами [1-2]. Растения в этом случае использовали лишь 15-25 % того количества воды, которое забиралось в головных частях оросительных систем. Следствием являлись большие потери поливной воды с полей на инфильтрацию. Это послужило причиной негативных почвенно-мелиоративных процессов - подъема уровня грунтовых вод, вторичного засоления, осолонцевания, уплотнения и разрушения почвенной структуры, дегумификации, повлекших изменения эколого-мелиоративного состояния орошаемых земель. В результате этих трансформаций в конце 1980-х гг. значительная часть орошаемых земель сельскохозяйственного назначения стала мелиоративно-неблагополучной и была выведена из категории пахотных [3-6].

Произошедшие в АПК в 1990-е гг. социально-экономические преобразования, в результате которых мелиорация оказалась без государственной поддержки, привели к значительному сокращению площади поливных земель. Однако при этом проблема необходимости предотвращения и борьбы с деградацией орошаемых агроландшафтов не стала менее острой, о чем свидетельствуют результаты исследований В. Н. Щедрина, С. М. Васильева, Л. М. Докучаевой, Л. Г. Романовой и др.

Как показали прогнозы подъема грунтовых вод, выполненные учеными региона, поддержание благоприятной мелиоративной обстановки без дренажа в экологических условиях Саратовского Заволжья, особенно на Сыртах, было невозможно или весьма проблематично [7-9]. В то же время предотвращение подъема грунтовых вод на основе проектирования и строительства дренажа в современных экономических условиях не представляется возможным по причине высокой стоимости его строительства и эксплуатации. В связи с этим проблемы предотвращения деградации поливных земель и борьбы с ней в регионе требовали иных эффективных решений.

Целью наших исследований была разработка перспективных приемов мелиорации по борьбе с деградацией орошаемых земель (подъемом уровня грунтовых вод, вторичным засолением, осолонцеванием, дегумификацией, уплотнением, разрушением почвенной структуры).

Материалы и методы

Исследования проводились в 1973-2015 гг. в сухостепной зоне Саратовского Заволжья на землях ОПХ «ВолжНИИГиМ» и ЗАО «Новое» Энгельсского, ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского, ЗАО «Декабрист» Ершовского районов Саратовской области.

Объект исследований - деградированные орошаемые темно-каштано-вые почвы с признаками гидроморфизма, осолонцевания, вторичного засоления, дегумификации и уплотнения. По гранулометрическому составу почвы средне- и тяжелосуглинистые, сформированные на средних суглинках.

В работе использовались экспериментальные методы - полевые и лабораторные опыты по изучению физических, агрохимических свойств, водно-солевого режима, фильтрационных параметров, гидрофизических функций, миграции растворенных веществ темно-каштановых почв. Наряду с ними применены теоретические методы исследования - математическое моделирование, системный и геоинформационный анализ, математическая статистика. Полевые эксперименты и обследования мелиорированных земель репрезентативных хозяйств сухостепной зоны проводились согласно принятым методикам [10, 11].

Результаты и обсуждение

Невозможно предотвратить деградацию орошаемых почв без полномасштабного постоянного комплексного мониторинга мелиоративных агроландшафтов. Такой мониторинг должен обеспечивать возможность учета ухудшения эколого-мелиоративного состояния поливных земель и прилегающих территорий, прогнозирования тенденций его изменения во времени и основываться на современных информационных технологиях.

Такая информационная система для условий Саратовского Заволжья разработана нами в виде геоинформационной модели солевого режима, учитывающей параметры его состояния в разные моменты времени и в их пространственной взаимосвязи. Структура мониторинга солевого режима и схема общей информационной системы мониторинга солевого режима представлены на рисунках 1 и 2. Основными компонентами геоинформационной модели являются: база данных и знаний, предназначенных для прогнозирования солевого режима, реализованная в среде Microsoft Access; программы для определения параметров водного и солевого режима; средства прогнозирования солевого режима - компьютерные реализации математических моделей влаго- и солепереноса; цифровая карта контролируемых угодий и прилегающих земель (рисунки 1, 2).

Рисунок 1 Структура мониторинга солевого режима земель

Рисунок 2 Схема геоинформационной модели мониторинга солевого режима мелиорированных земель

Для создания базы данных и знаний были изучены параметры почвенных гидрофизических функций и параметры миграции растворенных в почвенной влаге веществ, а также характеристики почвы, связанные с оценкой возможной ирригационной эрозии.

Экспериментальными исследованиями установлено, что функции влагопроводности и водоудерживания темно-каштановых почв существенно трансформируются при изменении типа водного питания и состава почвенного поглощающего комплекса (рисунки 3, 4).

Рисунок 3 Цифровая карта УГВ и засоления орошаемых земель ЗАО «Агрофирма «Волга»

Рисунок 4 Зависимости коэффициента влагопроводности от относительной влажности почвы для автоморфных и гидроморфных темно-каштановых почв

Так, с понижением относительной влажности от 1,0 до 0,1 значения коэффициентов влагопроводности гидроморфных почв уменьшаются с 0,001 до 10-⁵ м/сут, у автоморфных - с 0,1 до 10-⁴ м/сут. Это объясняется реорганизацией структуры порового пространства, обусловленной изменением плотности и характера распределения пор. При влажности, близкой к полной влагоемкости, в осолонцованной трещиноватой почве коэффициент влагопроводности на три порядка больше (3,0·10-³ м²/сут) по сравнению с неосолонцованной нетрещиноватой почвой (2,0·10-⁴-5,5·10-⁴ м²/сут). Объем доступной для растений влаги у осолонцованной почвы составляет 4,4 % против 17,5 % от объема почвы для неосолонцованной. Это объясняется особенностью влагопроводности трещиноватых почв в Саратовском Заволжье. Трещины в значительной степени перекрываются при влажности, близкой к полной влагоемкости, и коэффициент влагопроводности, достигнув некоторой величины, начинает уменьшаться при дальнейшем увеличении влажности (рисунок 5).

а) б)

Рисунок 5 Функции влагопроводности для темно-каштановой террасовой почвы: а - осолонцованной; б - неосолонцованной

Подвижность тонкодисперсных частиц в почвенном профиле и их устойчивость к различным воздействиям являются важнейшим показателем для многих процессов почвообразования, в том числе осолонцевания и осолодения. Под влиянием орошения эта подвижность может возрастать, став причиной одного из видов внутрипочвенной водной эрозии - иллювиального процесса. Как правило, миграция илистых частиц по профилю происходит без их разрушения, в виде суспензий и коллоидных растворов, а не в виде истинных растворов [9].

Для описания движения почвенной воды, содержащей взвесь илистых частиц, можно использовать модель вязкопластичной жидкости, применявшуюся для характеристики движения подобных растворов в трубах и каналах.

Движение слабоконцентрированной суспензии в пористой среде при увеличении количества дисперсных частиц описывается системой уравнений из [12]. В связи с этим лучше использовать в уравнении не коэффициент фильтрации , а проницаемость , которая связана с коэффициентом фильтрации соотношением и имеет размерность м². Соответственно, в уравнении движения используется не безразмерный градиент напора , а градиент давления , имеющий размерность Н/м².

Уравнение движения слабоконцентрированной суспензии можно представить в виде:

(1)

где - скорость движения жидкости, м/с;

- проницаемость почвы, м² или дарси;

- вязкость слабоконцентрированной суспензии, Па·с;

- внешнее давление, Н/м²;

- вертикальная координата, м;

- плотность слабоконцентрированной суспензии, то есть почвенной влаги со взвешенными в ней мелкодисперсными частицами, кг/м³;

- время, с;

- начальный градиент, кг/(с²·м²);

- гидростатический напор, Па.

Уравнение баланса должно включать в себя функцию источника , описывающую интенсивность выделения мелкодисперсных частиц в поток жидкости.

Уравнение баланса имеет вид:

(2)

где - пористость, доли единицы.

Модель перемещения илистых частиц в почве, кроме проницаемости (вычисляемой на основе коэффициента фильтрации) и пористости, содержит эмпирические параметры: Характеристики представляют собой следующую систему обыкновенных дифференциальных уравнений:

(3)

В этом случае не является законом движения жидкости или дисперсных частиц. Преобразуя (3), получаем уравнение характеристики:

 (4)

С учетом уравнений (2)-(4) плотность слабоконцентрированной суспензии выражается следующим соотношением:

(5)

Соотношения (4)-(5) позволяют определить параметры модели путем обработки лабораторного или полевого эксперимента.

Выход грунтовых вод в корнеобитаемую зону, накопление в ней солей наряду с воздействием сельскохозяйственных и мелиоративных машин негативно влияют на физическую составляющую почвенного плодородия: увеличивается плотность, уменьшается пористость, разрушаются агрономически ценная и водопрочная структуры. Это, в свою очередь, ведет к ухудшению водно-физических свойств почвы: уменьшается водоудерживающая и впитывающая способность почвы. Поэтому земли, деградированные в результате смены автоморфного водного режима на гидроморфный и вторичного засоления, неизбежно характеризуются и физическим деградированием. А последнее, как известно, ускоряет и без того выраженный процесс дегумификации зональных почв.

Весьма эффективным приемом восстановления таких земель может стать сидерация. Это доказывается нашими исследованиями, проведенными в ОПХ «ВолжНИИГиМ», почвы которого в результате более полувекового орошения потеряли свыше 30 % запасов гумуса, сильно уплотнились и деструктурировались.

В качестве сидератов использовали однолетние (нуто-ячменная, вико-овсяная травосмеси, овес и горох) и многолетние (козлятник восточный, козлятник восточный в смеси с кострецом 6-го года жизни) культуры.

Было доказано, что сидерация увеличивает поступление свежего органического вещества и способствует положительному балансу гумуса в орошаемом севообороте (таблица 1).

Таблица 1

Баланс гумуса в звене кормо-зернового севооборотапри запашке сидеральных культур

Запашка сидератов способствует разуплотнению почвы, увеличению общей пористости и пористости аэрации, улучшению агрономически ценной и водопрочной структуры почвы (таблица 2, рисунок 6).

Таблица 2

Изменение физических свойств пахотного слоя темно-каштановой орошаемой почвы в результате запашки сидеральных культур в звене кормо-зернового севооборота

Рисунок 6 Влияние сидеральных культур на содержание агрономически ценных и водопрочных агрегатов за ротацию севооборота

Сидерация может благоприятно влиять на водный режим физически деградированных почв за счет уменьшения инфильтрационного питания и увеличения отбора влаги из корнеобитаемого слоя. Уменьшение инфильтрационного питания под влиянием сидерации достигается за счет нескольких эффектов, вызванных улучшением структуры почвы. Увеличение общей пористости с 46,14 до 47,49 % (контроль - 43,68-43,89 %), пористости аэрации с 19,09 до 20,25 % (контроль - 16,63-16,84 %), доли агрономически ценных (50,9-56,8 % по отношению к контролю - 48,3-53,8 %) и водопрочных (30,2-38,1 % по отношению к контролю - 26,2-29,6 %) агрегатов приводит к возрастанию водоудерживающей способности корнеобитаемого слоя почвы и, как следствие, повышению потребления влаги растениями и сокращению потерь воды на инфильтрацию; уменьшению трещиноватости верхнего слоя почвы и связанному с этим сокращению потерь воды на инфильтрацию по преимущественным путям фильтрации. Увеличение отбора влаги из корнеобитаемого слоя обусловлено лучшим развитием ассимилирующей поверхности культур, возделываемых после сидерации.

Выводы

Перспективными приемами мелиорации в борьбе с деградацией орошаемых земель являются:

- постоянный комплексный ГИС-мониторинг эколого-мелиоративного состояния поливных земель и прилегающих территорий, обеспечивающий возможность учета ухудшения водно-солевого режима почвогрунтов, прогнозирования тенденций его изменения во времени и пространстве, в базу знаний которого включены экспериментально установленные параметры почвенных гидрофизических функций и параметры миграции растворенных в почвенной влаге веществ;

- включение в орошаемые севообороты сидерального поля, поскольку сидерация за счет обогащения почвы свежим органическим веществом обеспечивает разуплотнение и восстановление почвенной структуры, благоприятно влияет на водный режим физически деградированных почв за счет уменьшения инфильтрационного питания и увеличения отбора влаги из корнеобитаемого слоя.

Список использованных источников

1 Васильев, С. М. Результаты математической обработки факторов, определяющих биопродуктивность растений на эрозионно опасных территориях агроландшафтов при биогенном загрязнении среды / С. М. Васильев, Н. М. Макарова, Ю. Е. Домашенко // Инновации в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур: материалы междунар. науч.-практ. конф., 17 февраля 2016 г. Персиановский: Донской ГАУ, 2016. С. 16-20.

2 Щедрин, В. Н. Теория и практика альтернативных видов орошения черноземов юга Европейской территории России: монография / В. Н. Щедрин, С. М. Васильев. Новочеркасск: Лик, 2011. 435 с.

3 Васильев, С. М. Регулирование управленческих процессов в структурированных проблемных ситуациях АПК / С. М. Васильев, Ю. Е. Домашенко // Вестник Российской сельскохозяйственной науки. 2016. № 4. С. 12-13.

4 Пронько, Н. А. Изменение плодородия темно-каштановых почв Поволжья при длительном орошении и приемы его восстановления / Н. А. Пронько, Л. Г. Романова // Плодородие. 2005. № 4. С. 31-32.

5 Васильев, С. М. Оценка возможности возникновения кавитационной эрозии при осуществлении прогнозов местных размывов на сопрягающих сооружениях / С. М. Васильев, Ю. Е. Домашенко, Н. А. Антонова // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2014. Вып. 54. С. 84-87.

6 Васильев, С. М. Дождевание / С. М. Васильев, В. Н. Шкура. Новочеркасск: РосНИИПМ, 2016. 352 с.

7 Кистанов, Н. С. Влияние орошения на солевой режим почв Энгельсской оросительной системы / Н. С. Кистанов // Мелиорация орошаемых земель в Поволжье. Саратов: ВолжНИИГиМ, 1973. С. 46-61.

8 Фишман, М. Я. Прогноз подъема грунтовых вод на Балаковской оросительной системе / М. Я. Фишман // Мелиоративный прогноз и мероприятия по предупреждению засоления орошаемых земель в Поволжье. М.: ВНИИГиМ, 1974. С. 28-39.

9 Золотарева, Б. Н. Гидрофильные коллоиды и почвообразование / Б. Н. Золотарева. М.: Наука, 1982. 60 с.

10 Доспехов, Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) / Б. А. Доспехов. 5-е изд., доп. и перераб. М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.

11 Дюшофур, Ф. Основы почвоведения / Ф. Дюшофур // Эволюция почв. М.: Прогресс, 1970. 592 с.

12 Гидравлика глинистых и цементных растворов / А. Х. Мирзаджанзаде, А. А. Мирзоян, Г. М. Гевинян, М. К. Сеид-Рза. М.: Недра, 1966.

Размещено на Allbest.ru