FORMATION OF EVOLVING LAND-RECLAMATION REGIME ON IRRIGATED LANDS

ФОРМИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИОНИРУЮЩЕГО МЕЛИОРАТИВНОГО РЕЖИМА НА ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЛЯХ

Научная статья

Кирейчева Л.В.¹ *, Яшин В.М.²

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)

Аннотация

Для 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)

Abstract

The 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.

Введение

В 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 (W_ф) должна находиться в интервале от минимального (W_min) до максимального (W_max) 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

1. Решеткина Н.М. О проектировании мелиоративных режимов на орошаемых землях // Борьба с засолением орошаемых земель: научн. труды ВАСХНИЛ. - М. : Колос, 1967. - С. 31-36.
2. 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
3. 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.
4. 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.
5. 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
6. СНИП 2. 06.03-85 Мелиоративные системы и сооружения / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. – 60 с.
7. 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.
8. 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.
9. Система адаптивно-ландшафтного земледелия Волгоградской области на период до 2015 года / Иванов А.Л. [и др.]. Волгоград: ИПК Волгоградской ГСХА «Нива», 2009. - 304 с.
10. 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
11. 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

1. 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]
2. 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]
3. 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]
4. 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]
5. 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]
6. 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]
7. 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]
8. 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]
9. 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]
10. 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]
11. 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]