Прогнозирование процессов деградации черноземов Ростовской области

Аннотация

Рассмотрены деградационные процессы черноземов Ростовской области. Приведены расчеты интегральной оценки степени деградации черноземов I и II надпойменных террас при различных срока эксплуатации. Определены также значения рисков для различных уровней состояния этих почв.

деградационный чернозем риск надпойменный.

Annotation

The destruction processes of the Rostov region’s chernozems are considered. Calculations of an integrated estimation of degradation degree of the 1st and 2nd chernozems types of fluvial terraces are resulted at various term of operation. Values of risks for various levels of a condition of these soils are also defined.

По данным статистических отчетов Управления мелиорации и технического обеспечения Минсельхоза России, около 10% орошаемых сельхозугодий не используется по причине деградационных процессов, подразумевающих под собой разрушение структуры почвы, засоление, подтопление, потери гумуса, обменных оснований и прочие процессы ухудшения качества почв.

В ФГНУ «РосНИИПМ» разработаны показатели [1], оценивающие состояние почв при использовании циклического способа орошения сельскохозяйственных культур для черноземов высокой надпойменной террасы (I) и низкой надпойменной террасы (II). Данные материалы позволяют раздельно оценить ухудшение тех или иных свойств орошаемых почв, отражая проявление различных видов деградации. Так же этот комплекс показателей позволяет проводить интегральную оценку степени деградации почвы в целом.

При прогнозировании деградации черноземов применим методологию, разработанную Ц. Е. Мирцхулавой [2], которая, на наш взгляд, является более совершенной.

В основу подхода прогнозирования положена концепция: любая черноземная почва при эксплуатации подвергается различным деградационным процессам и тем самым риску наступления неблагоприятного состояния. Если этот риск будет слишком велик, то почвенная система будет деградирована и даже выведена из строя. Искомое аналитическое решение должно позволить оценить степень риска, присущего деградационному процессу, обусловленного случайностью и неопределенностью факторов, устанавливать их в зависимости от характеристик, их определяющих, а также распознавать возможные последствия воздействий внешних и внутренних случайных факторов [3,2].

Оценивая риск отдельных и суммарных деградационных процессов, можно составить представление об экологической безопасности почвенного покрова с учетом факторов риска. Эта методология может быть использована для прогноза деградации черноземов с достаточным для практики приближением.

Таким образом, оценка степени деградации орошаемой почвы проводится в два последовательных этапа (рисунок 1). Вначале оценивают состояние почвы по каждому показателю, представленному в патенте В. Н. Щедрина, С. М. Васильева и др. [1]. Затем на основе полученных значений P (t) по отдельным показателям рассчитываем интегральную оценку деградации, по величине которой определяем степень деградации почвы. Неблагоприятное состояние подразделено на шесть уровней по степени выраженности.

Для иллюстрации применения предлагаемого подхода оценки деградации проведем интегральную оценку степени деградации черноземов I и II надпойменных террас в целом при различных сроках эксплуатации, используя данные, разработанные в ФГНУ «РосНИИПМ» [1].

Расчеты проведем для сроков эксплуатации: 1, 2, 3, 4 и 5 лет.

Для примера оценим различное состояние пахотного слоя орошаемых черноземов II надпойменной террасы по изменению биохимического показателя.

В патенте В. Н. Щедрина, С. М. Васильева и др. [1] указано, что при «высоком» уровне состояния почвы запас гумуса составляет больше > 6, при «среднем» — 6−5 (в среднем 5,5), при «низком» — 5−4 (в среднем 4,5), а при «катастрофическом» уровне неблагоприятного состояния — < 4%. Для решения задачи используем уравнение ненаступления неблагоприятного состояния почвы:

;

;; .

Средняя скорость m изменения определяющего параметра устанавливается исходя из следующих данных — длительность глубоких необратимых преобразований орошаемых черноземов колеблется от 2−3 до 8−10 лет [2], т. е. в среднем 5 лет. Таким образом, средняя скорость определяющего параметра будет:

Рис. 1- Блок-схема определения степени деградации орошаемых черноземов.

Показатели почв делятся на три этапа: 6−5,5; 5,5−4,5; 4,5−4. Таким образом, каждый этап длится 53 = 1,667 лет. Тогда средняя скорость m изменения определяющего параметра по этапам будет:

Среднее значение — среднее квадратическое отклонение средней скорости m изменения определяющего параметра определяется приближенными приемами математической статистики:

.

где , — соответственно наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины; К — коэффициент, зависящий от количества наблюдений n:

Условно за начальный период (нормальный) примем t = 0,01 лет (3,65 дней), а = 6, т.к. в течение данного промежутка времени не происходит глубоких необратимых преобразований орошаемых черноземов:

Следовательно, вероятность отсутствия неблагоприятного состояния почвенного покрова в начале эксплуатации будет:

риск r 10−7.

Для второго этапа получится следующее (t =2, а =5,5):

Следовательно, вероятность отсутствия неблагоприятного состояния почвенного покрова при эксплуатации в течение двух лет будет: риск r 10^-7.

Проведем такие же вычисления для следующего этапа (t = 4 года, а = 4,5) и получим, что .

По таблице функции Лапласа находим значение:

риск r = 1 — 0,9918 = 0,0082,

т.е. риск наступления неблагоприятного состояния при «низком» уровне состояния почв будет равен r = 0,0082.

А в конце эксплуатации (t = 5 года, а = 4) при проведении расчетов получим риск r = 0,0548.

Аналогичные расчеты проведем по всем указанным выше показателям почвы. Затем на основе полученных значений P (t) по отдельным показателям рассчитываем интегральную оценку деградации, как произведение вероятностей ненаступления неблагоприятного состояния, по данным изменений всех показателей, отмеченных в патенте В. Н. Щедрина, С. М. Васильева и др. 1].

Таким образом, суммарное значение вероятности ненаступления неблагоприятного состояния в начале эксплуатации (т.е. t = 0,01 год), соответствующее высокому уровню состояния черноземов, как первой, так и второй надпойменных террас, т. е по данным В. Н. Щедрина, С. М. Васильева и др. 1] будет:

.

т.е. риск практически равен нулю.

Проводим такие же расчеты для сроков эксплуатации — 1, 2, 3, 4 и 5 лет. Результаты расчетов сведены в таблицы 1 и 2.

Таблица 1 — Значения рисков для различных уровней состояния черноземов I надпойменной террасы при различных сроках эксплуатации

Таблица 2 — Значения рисков для различных уровней состояния черноземов II надпойменной террасы при различных сроках эксплуатации

Как указано в работе [5], вероятность возникновения деградации почвенного покрова в процессе мелиоративной деятельности составляет 0,4…0,6, что соответствует средней степени деградации. Это значение и примем критическим, т. е. длительность поливного цикла должна составлять период до наступления деградации средней степени (значение риска не должно превышать 0,4). Тогда продолжительность поливного цикла при высоком, среднем, низком и катастрофическом уровнях состояния черноземов будет различной.

Приведенный пример расчета подтверждает целесообразность применения циклического орошения для черноземов Ростовской области, а именно тот факт, что поливной цикл должен быть продолжительностью не более 3 лет для высокого уровня состояния почв, 2 лет при среднем уровне, 1 год при низком уровне, а при катастрофическом уровне почвы нужно выводить из орошения до улучшения мелиоративного состояния.

Библиографический список

• 1. Способ мелиорации орошаемых черноземов: пат. № 2 324 331 Ро. Федерация: МПК, А 01 G 25/00/ В. Н. Щедрин [и др.]; опубл. 20.05.2008, Бюл. № 14 // Открытия. Изобретения. — 2008.
• 2. Мирцхулава Ц. Е. Деградация почв и пути предсказания неблагоприятных ситуаций при орошении // Почвоведение. — 2001. — № 12. — с. 1503−1510.
• 3. Васильев С. М. Повышение устойчивости и эффективности использования агроландшафтов аридной зоны в условиях постоянного и циклического орошения: монография. — Ростов-н/Д, 2006. — 364 с.
• 4. Оценка деградации орошаемых почв / Б. А. Зимовец [и др.] // Почвоведение. — 1998. — № 9. — с. 1119−1126.
• 5. Карпенко Н. П. Структура и оценка геоэкологических рисков // Природообустройство. — 2009. — № 3. — с. 45−50.