ФОРМИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИОНИРУЮЩЕГО МЕЛИОРАТИВНОГО РЕЖИМА НА ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЛЯХ
ФОРМИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИОНИРУЮЩЕГО МЕЛИОРАТИВНОГО РЕЖИМА НА ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЛЯХ
Научная статья
1 ORCID: 0000-0002-7114-2706,
1, 2 Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова,
Москва, Россия
* Корреспондирующий автор (kireychevalw[at]mail.ru)
АннотацияДля оценки взаимодействия гидромелиоративных систем с компонентами природной среды на мелиорируемых землях используется понятие «мелиоративный режим». Критерием благоприятности мелиоративного режима, формирующегося на орошаемых землях, является приращение энергии в агроэкосистеме и ее поддержание в процессе функционирования мелиоративных систем. На основе энергетического подхода предложена классификация мелиоративных режимов, включающая эволюционирующий, компенсационный и критический типы. Рассмотрены мелиоративные и агротехнические мероприятия по формированию эволюционирующего мелиоративного режима на орошаемых землях, реализация которых позволяет регулировать на нормативном уровне водно-воздушный, солевой, питательный и другие режимы в мелиорируемой почве для функционирования процессов роста и развития сельскохозяйственных растений.
Ключевые слова: мелиоративный режим, орошение, почва, водный режим, мелиоративные мероприятия, солевой режим
FORMATION OF EVOLVING LAND-RECLAMATION REGIME ON IRRIGATED LANDS
Research article
Kireicheva L.V.1 *, Yashin V.M.2
1 ORCID: 0000-0002-7114-2706,
1,2All-Russian Scientific Research Institute of Hydraulic Engineering and Melioration named after A.N. Kostyakov, Moscow, Russia
* Corresponding author (kireychevalw[at]mail.ru)
AbstractThe concept of the “reclamation regime” is used to assess the interaction of irrigation and drainage systems with environmental components on reclaimed lands. The increment of energy in the agro-ecosystem and its maintenance in the process of reclamation systems is the criterion for a more favorable reclamation regime forming on irrigated lands. Based on the energy approach, classification of reclamation regimes is proposed, including the evolving, compensatory, and critical types. Reclamation and agro-technical measures for the formation of an evolving reclamation regime on irrigated lands are considered, the implementation of which allows regulating water-air, salt, nutrient and other regimes on reclaimed soil at the normative level for the functioning of growth and development processes of agricultural plants.
Keywords: land-reclamation regime, irrigation, soil, water regime, reclamation measures, salt regime.
ВведениеВ результате взаимодействия компонентов природной среды и функционирования гидромелиоративных систем на орошаемых землях происходит трансформация природно-мелиоративных процессов, развитие которых нередко приводит к неблагоприятным последствиям. Для установления закономерностей и основываясь на опыте эксплуатации крупных орошаемых массивов при возделывании хлопчатника в Средней Азии Н.М. Решеткиной было предложено понятие о мелиоративных режимах. Определение мелиоративного режима содержит требования к регулируемым факторам почвообразования (в первую очередь к водному) с использованием классификации процессов почвообразования. В качестве основного фактора выделения типов мелиоративного режима (автоморфный, гидроморфный и промежуточные типы) была положена степень участия грунтовых вод в формировании водно-солевого режима орошаемых почв [1]. Аналогичный подход был использован для анализа формирования природно-мелиоративных процессов в период развития орошения в Поволжье и других регионах СССР [2],[3]. Мелиоративный режим «как совокупность требований к регулируемым факторам почвообразования, обеспечивающим коренного улучшение и дальнейшее повышение плодородия почв и получения заданного урожая определенных сельскохозяйственных культур» рассмотрен в работе [4].
Цель исследований – разработка состава мелиоративных и агромелиоративных мероприятий, обеспечивающих формирование эволюционирующего мелиоративного режима на орошаемых землях.
Объект и методика исследований
В качестве объекта исследований рассматривается понятие «мелиоративный режим», его типы и комплексы мероприятий по формированию эволюционирующего мелиоративного режима на орошаемых землях. На основе анализа формирования потоков энергии в агроэкосистеме предложено следующее определение: мелиоративный режим – это закономерное изменение во времени и в пространстве состояния агроэкосистемы, обусловленное регуляцией потока энергии, определяемого балансом входящей и исходящей энергии в рассматриваемом объекте. Критерием благоприятности мелиоративного режима является приращение энергии в агроэкосистеме, представляющее собой необходимое количество энергоресурсов для обеспечения расширенного воспроизводства почвенного плодородия [5]. При управлении мелиоративным режимом обязательным условием является внесение дополнительной энергии. Интенсивность и направленность потоков энергии в мелиорируемом агроландшафте обеспечивают мелиоративные системы, реализующие гидромелиоративные технологии на мелиорируемых землях. Исходя из анализа развития процессов почвообразования, формирования энергетических потоков в агроэкосистеме и энергетического баланса в мелиорируемой почве выделены следующие типы мелиоративных режимов орошаемых земель:
- эволюционирующий, характеризующийся положительным энергетическим балансом, обеспечивающим расширенное воспроизводства почвенного плодородия;
- компенсационный, характеризующийся нулевым энергетическим балансом мелиорируемых почв в многолетнем плане;
- критический, при котором наблюдается устойчивая убыль энергетического потенциала почв, приводящая к их истощению.
Под управлением мелиоративными режимами мелиорируемых земель понимается целенаправленное изменение факторов его формирования для достижения нормативного функционирования продукционных процессов.
Методическая основа исследований включала анализ и обобщение опубликованных научных и практических результатов, анализ влияния оросительных систем на состояние природной среды и изучение проблем управления эксплуатацией мелиоративных систем с учетом закономерностей вещественно-энергетической трансформации мелиорируемых агроландшафтов.
Результаты и обсуждение
Эксплуатация мелиоративных систем для поддержания эволюционирующего мелиоративного режима включает директивную необходимость обеспечения развития природно-мелиоративных процессов на мелиорируемых землях, направленных на расширенное воспроизводство почвенного плодородия, путем реализации мелиоративных мероприятий или их комплексов, учитывающих согласование динамики развития природно-мелиоративных процессов с требованиями сельскохозяйственных культур.
В соответствии с разрабатываемой методологией при функционировании мелиоративных систем, обеспечивающих эволюционирующий режим, выполняются мелиоративные мероприятия по поддержанию положительного энергетического баланса почв при эксплуатации систем. Задача управления заключается в определении и реализации управляющих воздействий, которые формировали бы требуемое состояние почвы, обеспечивающее постоянную поддержку ее энергетического состояния и расширенное воспроизводство почвенного плодородия [5]. Схематически модель управления мелиоративным режимом и назначения мелиоративных мероприятий показана на рисунке 1.
Рис. 1 – Обобщенная схема управления мелиоративными режимами на орошаемых землях
Алгоритм управления мелиоративными режимами предусматривает следующие этапы: анализ и оценка актуального мелиоративного состояния мелиорируемых земель; прогнозные расчеты (при необходимости) и оценка мелиоративного режима с использованием моделей развития природно-мелиоративных процессов; назначение мелиоративных мероприятий.
Управление мелиоративной системой необходимо осуществлять таким образом, чтобы динамика почвенных характеристик укладывалась в интервал от уровней «не деградированных» до «слабо деградированных почв».
На мелиорируемых землях возможно управлять следующими режимами, обеспечивающими комфортность развития сельскохозяйственных растений – водным, солевым, питательным, кислотно-щелочным, тепловым. Анализ формирования факторов мелиоративного режима позволил выделить два уровня их изменчивости во времени, соответственно, и два уровня их управления – оперативный (сезонный) и многолетний. Оперативный уровень предполагает возможность внутрисезонного регулирования показателей почвенного плодородия. К этому классу относятся следующие показатели мелиоративного режима: водный режим почв; питательный режим; солевой режим почв в условиях вторичного засоления и осолонцевания почв; уровень грунтовых вод при гидроморфном режиме; качество оросительной воды.
В других случаях управление мелиоративным режимом предполагает регулирование факторов повышения плодородия в многолетнем разрезе (выполняются «капитальные» мелиоративные мероприятия – промывки, химические мелиорации, внесение высоких доз органических удобрений, ликвидация загрязнения почвы, планировка и др.)
Ниже рассматриваются мелиоративные мероприятия по регулированию показателей почвенного плодородия для формирования эволюционирующего мелиоративного режима.
На основе анализа режима грунтовых вод устанавливается тип почвообразовательного процесса по гидроморфизму – гидроморфный, полугидроморфный, автоморфный. В условиях гидроморфного и полугидроморфного режимов последовательно выполняется анализ водного режима почвы, режима грунтовых вод и солевого режима. При автоморфном режиме (глубина грунтовых вод более 3,0 – 4,0 м) режим влажности почв формируется за счет орошения и естественных осадков.
Фактическая величина влажности почвы (Wф) должна находиться в интервале от минимального (Wmin) до максимального (Wmax) значения. Пределы влажности устанавливаются в составе проектов для конкретных сельскохозяйственных культур. Ориентировочно актуальная величина влажности изменяется в пределах от 0,6 до единицы наименьшей влагоемкости почвы [4].
Режим грунтовых вод становится ведущим фактором мелиоративного режима при их участии в подпитывании почвы. Подъем грунтовых вод на орошаемых землях выше допустимых глубин является наиболее распространенной причиной формирования критического мелиоративного режима, приводящего к переувлажнению и/или к вторичному засолению земель. Он обусловлен повышением инфильтрационного питания за счет подачи воды на орошение. Для уменьшения ирригационного питания грунтовых вод и понижения их уровня используются следующие мероприятия: корректировка режимов орошения с целью снижения водоподачи; применение водосберегающих технологий орошения; противофильтрационные мероприятия на оросительной сети; планировка орошаемых земель; введение севооборотов с включением влаголюбивых культур; строительство искусственного дренажа.
Мелиоративные мероприятия по поддержанию эволюционирующего мелиоративного режима по состоянию засоленности почв назначаются по результатам сравнения фактических значений с допустимыми, которые в первом приближении принимаются в соответствии с рекомендациями СНиП 2.06.03-85 [6]. При наличии слабозасоленных почв или опасности развития процессов вторичного засоления для их нейтрализации используется одно мероприятие или комбинация из рекомендуемых эксплуатационных мероприятий: эксплуатационные промывки в межвегетационный период; предпосевные поливы; промывной режим орошения с увеличением оросительных норм на 10-20%; регулирование качества оросительной воды; возделывание солеустойчивых культур; фитомелиоративные севообороты и понижение уровня грунтовых вод повышенной минерализации.
Осолонцованность почв определяется концентрацией ионов натрия и магния в почвенно-поглощающем комплексе (ППК), который характеризуется емкостью катионного обмена, и повышенным значением величины рН. Оценивается по содержанию ионов обменного натрия (%) в ППК [7], [9]. Для нейтрализации процессов осолонцевания используют следующие приемы: химические мелиорации путем внесения кальций содержащих мелиорантов (гипс, фосфогипс и др.); эксплуатационные промывки; промывной режим орошения; мелиоративное рыхление солонцовых почв; регулирование поверхностного стока в условиях микрорельефа (лункование, прерывистые борозды, щелевание и др.); применение фитомелиоративных севооборотов; возделывание содоустойчивых культур; кондиционирование качества оросительной воды.
На почвах с низкой величиной рН (повышенная кислотность) применяются методы химической мелиорации с внесением извести и других кальций содержащих мелиорантов.
Основным фактором почвенного плодородия и энергетического состояния почв является содержание гумуса - важнейшего источника энергии почвы. Для обеспечения эволюционирующего мелиоративного режима требуется создание его бездефицитного баланса. Наилучшими органическим удобрением является навоз крупного рогатого скота. В агротехнологиях также используются торф, сапропели, вермикомпост, осадки сточных вод, различные компосты и удобрительно-мелиорирующие смеси. Перспективность применения последних заключается в комплексности их воздействия на показатели почвенного плодородия – содержание гумуса, структуру почвы, ППК и микробиологическую активность. Использование удобрительно-мелиорирующих смесей на основе сапропеля и торфа, торфа и отходов сахарного производства для повышения плодородия почв выработанных торфяников позволило улучшить энергетическое состояние почвы и получать устойчивые повышенные урожаи в течение 5 лет и более [10], [11].
Для обеспечения эволюционирующего мелиоративного режима на фоне регулирования водного режима орошаемых почв рекомендуется проведение следующих мелиоративных и агромелиоративных мероприятий:
- регулярное внесение в почву свежего органического вещества в виде навоза, различных компостов, зеленого удобрения, соломы и др. для создания положительного баланса органического вещества;
- внесение органоминеральных и минеральных веществ для улучшения структурного состояния почвы, повышения емкости катионного обмена и буферной способности почвы;
- введение в севообороты бобовых культур и многолетних трав;
- внесение микробных препаратов для повышения биологической активности почвы и стимулирования гумусообразовательных процессов;
- внесение нетрадиционных органических удобрений с применением местных ресурсов (торф, различные компосты, осадки сточных вод, лигнин, сапропель, кора, опилки, переработанные отходы сахарного производства и др.) с учетом экологических ограничений на их качество.
Гранулометрических состав, плотность почв и удельная поверхность формируют структуру порового пространства и энергетические характеристики почвенной влаги. Плотность определяет условия развития корневой системы растений и сопротивляемость почвы её механической обработке.
Переуплотнение почв ликвидируется путем рыхления пахотного и подпахотного горизонтов. Для предупреждения уплотнения почв реализуются специальные севообороты, внесение органических удобрений и структурообразователей, почвосберегающие системы обработки почвы.
Заключение
Предложено новое определение мелиоративного режима при функционировании мелиоративных систем на основе формирования энергетических потоков в агроэкосистеме и классификация их типов – эволюционирующий, компенсационный, критический. Для формирования эволюционирующего мелиоративного режима при эксплуатации мелиоративных систем рекомендованы мелиоративные и агромелиоративные мероприятия по поддержанию природно-мелиоративных процессов на нормативном уровне.
Конфликт интересов Не указан. | Conflict of Interest None declared. |
Список литературы / References
- Решеткина Н.М. О проектировании мелиоративных режимов на орошаемых землях // Борьба с засолением орошаемых земель: научн. труды ВАСХНИЛ. - М. : Колос, 1967. - С. 31-36.
- Бобченко В.И. Технология регулирования мелиоративных режимов при орошении на высоких Сыртах / В.И. Бобченко., В.А. Браун, В.С. Макарова, Н.М. Решеткина // Вопросы обоснования мелиорации и охраны природы: сб. научн. трудов ВНИИГиМ. М., 1983. - С. 87-95
- Сойфер С.Я. Формирование рационального мелиоративного режима в различных природных зонах // Тезисы докл. V Всероссийского совещания по мелиоративной гидрогеологии, инженерной геологии и мелиоративному почвоведению (г. Новая Каховка). - Ч. II. М., 1984. - С. 152-154.
- Айдаров И.П. Мелиоративный режим орошаемых земель и пути его улучшения / И.П. Айдаров, А.И. Голованов // Гидротехника и мелиорация. - 1986. - № 8. - С.44-47.
- Кирейчева Л.В. Модели и информационные технологии управления водопользованием на мелиоративных системах, обеспечивающие благоприятный мелиоративный режим / Кирейчева Л.В., Юрченко И.Ф., Яшин В.М. // Мелиорация и водное хозяйство. - 2014. - № 5-6. - С. 50-55
- СНИП 2. 06.03-85 Мелиоративные системы и сооружения / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. – 60 с.
- Зимовец Б.А. Экологические требования к орошению почв России / Б.А. Зимовец, Н.Б. Хитров // М.: Почв. инст. им. В.В. Докучаева, 1996. - 72 с.
- Сизоненко А.П. Руководство по мелиорации солонцов и засоленных солонцовых земель при орошении в Волгоградской области / А.П. Сизоненко., В.П. Баякина, С.И. Мясищев, Е.Н. Лиманский // М., 1988. - 31 с.
- Система адаптивно-ландшафтного земледелия Волгоградской области на период до 2015 года / Иванов А.Л. [и др.]. Волгоград: ИПК Волгоградской ГСХА «Нива», 2009. - 304 с.
- Кирейчева Л.В. Энергетическая оценка мелиоративных мероприятий для повышения плодородия почв / Л.В. Кирейчева, И.В. Белова, С.В. Перегудов, В.М. Яшин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2009. - № 4. - С. 32-43
- Яшин В.М. Повышение плодородия деградированных и малопродуктивных почв путем использования удобрительно-мелиорирующих смесей / В.М. Яшин, Л.В. Кирейчева, С.В. Перегудов, К.Н. Евсенкин, Е.Ю. Шилова // Мелиорация и водное хозяйство. - 2014. - № 5-6. - С. 26-31
Список литературы на английском языке / References in English
- Reshetkina N.M. O proektirovanii meliorativnyh rezhimov na oroshaemyh zemljah [On the design of reclamation regimes on irrigated lands] // Bor'ba s zasoleniem oroshaemyh zemel': nauchn. trudy VASHNIL [Fight against salinization of irrigated lands: scientific. Proceedings of the OASCHNIL]. - M.: Kolos, 1967 .-- P. 31-36. [in Russian]
- Bobchenko V.I. Tehnologija regulirovanija meliorativnyh rezhimov pri oroshenii na vysokih Syrtah [Technology of regulation of reclamation regimes during irrigation at high Syrtes] / V.I. Bobchenko., V.A. Brown, V.S. Makarova, N.M. Reshetkina // Voprosy obosnovanija melioracii i ohrany prirody: sb. nauchn. trudov VNIIGiM [Issues of substantiation of land reclamation and nature conservation: collection. scientific Proceedings of VNIIGiM]. M., 1983. - P. 87-95 [in Russian]
- Soifer S.Ya. Formirovanie racional'nogo meliorativnogo rezhima v razlichnyh prirodnyh zonah [The formation of a rational reclamation regime in various natural zones] // Abstracts dokl. V All-Russian meeting on reclamation hydrogeology, engineering geology and reclamation soil science (Novaya Kakhovka). - Part II. M., 1984. - P. 152-154. [in Russian]
- Aidarov I.P. Meliorativnyj rezhim oroshaemyh zemel' i puti ego uluchshenija [Reclamation regime of irrigated lands and ways to improve it] / I.P. Aidarov, A.I. Golovanov // Hydrotechnics and land reclamation. - 1986. - No. 8. - P.44-47. [in Russian]
- Kireicheva L.V. Modeli i informacionnye tehnologii upravlenija vodopol'zovaniem na meliorativnyh sistemah, obespechivajushhie blagoprijatnyj meliorativnyj rezhim [Models and information technologies for water use management on reclamation systems providing a favorable reclamation regime] / Kireicheva L.V., Yurchenko I.F., Yashin V.M. // Land reclamation and water management. - 2014. - No. 5-6. - P. 50-55 [in Russian]
- SNIP 2. 06.03-85 Meliorativnye sistemy i sooruzhenija [SNIP 2. 06.03-85 Reclamation systems and structures] / Gosstroy of the USSR. M.: TsITP Gosstroy USSR, 1986 .-- 60 p. [in Russian]
- Zimovets B.A. Jekologicheskie trebovanija k orosheniju pochv Rossii [Ecological requirements for irrigation of soil in Russia] / B.A. Zimovets, N.B. Khitrov // M .: Soil. inst. them. V.V. Dokuchaev, 1996 .-- 72 p. [in Russian]
- Sizonenko A.P. Rukovodstvo po melioracii soloncov i zasolennyh soloncovyh zemel' pri oroshenii v Volgogradskoj oblasti [Guidance on the reclamation of solonetzes and saline solonetzic lands during irrigation in the Volgograd region] / A.P. Sizonenko., V.P. Bayakina, S.I. Myasishchev, E.N. Limansky // M., 1988 .-- 31 p. [in Russian]
- Sistema adaptivno-landshaftnogo zemledelija Volgogradskoj oblasti na period do 2015 goda [The system of adaptive landscape agriculture of the Volgograd region for the period up to 2015] / A. Ivanov. [and etc.]. Volgograd: IPC of the Volgograd State Agricultural Academy “Niva”, 2009. - 304 p. [in Russian]
- Kireicheva L.V. Jenergeticheskaja ocenka meliorativnyh meroprijatij dlja povyshenija plodorodija pochv [Energy assessment of land reclamation measures to improve soil fertility] / L.V. Kireicheva, I.V. Belova, S.V. Peregudov, V.M. Yashin // Bulletin of the Lower Volga Agro-University Complex: science and higher professional education. - 2009. - No. 4. - P. 32-43 [in Russian]
- Yashin V.M. Povyshenie plodorodija degradirovannyh i maloproduktivnyh pochv putem ispol'zovanija udobritel'no-meliorirujushhih smesej [Increasing the fertility of degraded and unproductive soils through the use of fertilizer-reclamation mixtures] / V.M. Yashin, L.V. Kireicheva, S.V. Peregudov, K.N. Evsenkin, E.Yu. Shilova // Land reclamation and water management. - 2014. - No. 5-6. – P. 26-31 [in Russian]