Почвенно-экологические факторы длительного использования мелиорированных земель Нечерноземной зоны

Актуальность проблемы. Нечерноземная зона Российской Федерации и Республики Беларусь относится к регионам с пониженной биологической продуктивностью земель в связи с тем, что большая часть сельскохозяйственных угодий расположена в районах неустойчивого и избыточного увлажнения.

Вопросами изучения почвенно-мелиоративных условий Нечерноземной зоны занимались А. Н. Костяков (1960), А. Д. Брудастов (1955), Д. Г. Виленский (1955), В. И. Шраг (1954), Ф. Р. Зайдельман (1981), С. Ф. Аверьянов (1957,1969), В. К. Панов (1974) и другие.

К концу 1980 г. площадь мелиорированных сельскохозяйственных угодий Нечерноземной зоны РФ составила 2894 тыс. га, в том числе осушенных — 2346 тыс. га, орошаемых — 548 тыс.га. Закрытым дренажем осушено 1413 тыс. га, или 60%. Мелиорируемые земли по России в целом составляют 6% общей площади сельскохозяйственных угодий, производство сельскохозяйственной продукции на этих землях — 9−10% всей продукции земледелия.

В структуре земельного фонда Беларуси сельскохозяйственные земли занимают 9257,7 тыс. га, из них пахотные — 6133,2 тыс. га, по состоянию на 1.01.2⁰² г. площадь осушенных земель составляла 3416,0 тыс. га, или 16,4% всей территории республики. Однако, уже к 1990 г. мелиоративное строительство значительно сократилось и основными направлениями стали окультуривание, оптимизация главных показателей плодородия и сохранение продуктивности мелиорированных земель при надежной их эксплуатации (Гулюк, 1998).

Следует заметить, что в последние годы эффективность эксплуатации мелиорированных систем снизилась, что привело к ухудшению состояния осушенных земель и снижению их продуктивности на 25−35% по сравнению с проектными показателями. Отметим, что еще не достаточно исследовано и экологически обосновано изменение эффективности дренажа в зависимости от срока его действия и условий эксплуатации. Также слабо проработан вопрос об изменении почвенных условий в зависимости от срока действия дренажа при применении агромелиоративных мероприятий.

Длительная эксплуатация мелиоративных систем приводит к их моральному и физическому старению и требует специальных агромелиоративных мероприятий по их реабилитации. Кроме того, возросшие экологические требования, ограничение на использование водных, земельных и энергетических ресурсов ставят проблему экологического обоснования эксплуатации мелиоративных систем длительного действия.

В этой связи исследования, направленные на прогноз последствий продолжительной работы мелиоративных систем, оценку изменения эффективности и разработки агромелиоративных мероприятий по их реанимации, являются актуальными и имеют существенную теоретическую и практическую значимость.

Цель работы. Комплексное изучение динамики физических, агрохимических и агрономических свойств дерново-подзолистых земель, исследование экологических, эксплуатационных и конструктивных факторов их рационального длительного использования в сельскохозяйственном производстве, разработка агротехнических мероприятий и теоретическое обоснование современного проектирования эффективных осушительных систем.

Экспериментальное и теоретическое обоснование и внедрение комплексов мелиоративных, агротехнических, эколого-технологических мероприятий, направленных на обеспечение эффективного длительного использования мелиоративных земель Нечерноземной зоны Российской Федерации и Республики Беларусь.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач.

1. Выявить почвенные, экологические, конструктивные, эксплуатационные факторы, обуславливающие длительность эффективного использования мелиорируемых земель.

2. Изучить закономерности применения и формирования водно-воздушного режима почв разных сроков осушения.

3. Изучить закономерности изменения водно-физических свойств почв разных сроков осушения.

4. Изучить закономерности изменения агрохимических свойств почв разных сроков осушения на фоне агротехнологий с различной степенью интенсивности применения минеральных удобрений.

5. Изучить закономерности трансформации органических веществ осушаемых почв.

6. Исследовать влияние агротехнических приемов механических обработок, внесения химических удобрений и мелиорантов, видов сельскохозяйственных культур и типов севооборотов, эксплуатационных уходов и технического состояния мелиоративных систем на почвенно-экологические факторы длительной их эксплуатации.

7. Разработать принципы и критерии оценки обеспечения эффективного длительно использования мелиорированных земель.

8. Разработаь технические и технологические решения, обеспечивающие оптимальные параметры мелиоративных режимов длительно осушаемых земель.

9. Провести агроэкологическую и экономическую оценки технологий и мероприятий, обеспечивающих длительную эксплуатацию мелиорированных земель.

Методология исследований. В качестве методологической основы использованы анализ и аналитическое обобщение результатов собственных оригинальных экспериментов и * полевых наблюдений на опытных полях Московской, Тверской, Рязанской областей и Республики Беларусь с привлечением опубликованных материалов других исследований по подобным почвенно-климатическим зонам и мелиорированным землям. Разработанные расчетные методики положены в основу созданных новых агромелиорированных приемов улучшения и реализации длительно эксплуатируемых мелиорированных систем. При проведении экспериментов и закладке полевых опытов применены стандартные методики, обеспечивающие достоверность научных результатов, обоснованность выводов и предложенных практических рекомендаций.

Научная новизна работы заключается в следующем: установлены закономерности изменения физических, водно-физических и агрохимических свойств почв мелиорируемых земель Нечерноземной зонывыявлены закономерности трансформации органических веществ минеральных и тор* фяных почв в мелиорированных системахпредложены методы расчета параметров дренажа при наличии почвенно-мелиорированных неоднородностейразработаны технологии агротехнических обработок мелиорированных земель, учитывающие конструктивные особенности и заложение дренажных системопределены оптимальные параметры мелиоративных режимов использования минеральных и торфяных почв, обоснованы технологические приемы их оптимизации и перевода земель в категорию агроземовпредложена методика эколого-экономической оценки эффективности мероприятий, обеспечивающих длительную эксплуатацию мелиорированных почв.

Основные положения, выносимы на защиту:

1. Почвенные и экологические факторы и критерии оценки, обоснование выбора и расчета агромелиоративных мероприятий по эффективной эксплуатации и совершенствованию использования мелиорированных земель и осушительных систем длительного пользования в Нечерноземном районе.

2. Технические и агромелиоративные решения по обоснованию и поддержке экологической проектной продуктивности осушаемых земель и устойчивости работы мелиориатив-ных систем.

3. Способы оптимизации основных показателей плодородия торфяных почв.

Диссертация выполнена на основе личных теоретических и экспериментальных разработок автора, технических и технологических решений, защищенных патентами на изобретения РФ. Полевые исследования на мелиорированных системах Нечерноземной зоны РФ (Московская, Рязанская, Тверская области) и Республики Беларусь проведены совместно с сотрудниками научных учреждений регионов по методологии и программам, разработанных автором. Анализ, обобщение экспериментальны данных и выработка рекомендации производству выполнены автором.

Практическое значение и реализация исследований. Практическое значение гидродинамических методов расчета параметров дренажа при наличии локальных неоднородно-стей заключается в возможностях расчета фильтрации при мелиоративной обработке дерново-подзолистой оглеенной почвы дифференцированно по ширине междурядий и фильтрации к дренам в дренажных засыпках.

Основы оптимизации плодородных мелиорируемых почв используются для разработки методов расчета режима работы дренажа длительного действия при его реконструкции, а также для обоснования параметров технологий оптимизации эффективного плодородия мелиорированных земель.

Аналитические зависимости и программные средства необходимы для расчета гидродинамических режимов дренажа при проектировании.

Предложенные агромелиоративные мероприятия по реабилитации мелиоративных систем длительного действия, технические решения по их экологической устойчивости и способы оптимизации плодородия земель обеспечивают повышение эффективности работы дренажа на 15−20%, снижение затрат труда до 30−40%, увеличение урожайности сельскохозяйственных культур на 15−25% и получение экологически чистой продукции.

Все предложенные технические и технологические решения защищены 11 авторскими свидетельствами на изобретения РФ.

Технологии дифференцированных обработок дренированных земель, агромелиоративные мероприятия, технические и технологические решения по экологической надежности мелиорированных систем и оптимизации плодородия земель использованы проектными мелиоративными и строительными организациями Московской, Тверской, Рязанской и других областей центра Нечерноземной зоны России и Республики Беларусь.

Общая сумма лицензионных продаж разработок, защищенных патентами РФ, составляет 1,8 млн. рублей.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на конгрессе МКИД в Сеуле, на заседании НТС Мин-сельхоза РФ и НТС Минсельхоза Беларуси (2002;2003 гг.), на международной конференции «Мониторинг состояния лесных и урбосистем» (2002 г.), на научно-технических конференциях в Российском университете дружбы народов (2001 г.), в Московском государственном университете природоустройства (2002 г.), Московском государственном университете леса (2001;2003 гг.), конгрессе МКИД в Москве (2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, в том числе монография «Агромелиоративные мероприятия при длительной эксплуатации дренажа и экологической реабилитации техногенно загрязненных земель гумидной зоны», пять брошюр, получено 11 патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 323 стр. машинописного текста, включает 39 рисунков, 104 таблицы, список литературы из 337 наименований, в т. ч. 16 публикаций зарубежных авторов. Работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений.

ВЫВОДЫ.

1. В настоящее время на части мелиорированных площадей не удается получать проектные урожайность и эффективность производства сельскохозяйственной продукции. В Центральном районе Нечерноземной зоны РФ неудовлетворительное мелиоративное состояние отмечается на 23% площади осушаемых земель. Оно обусловлено локальным заилением дрен (18% площади), площадным заилением дренажа (10% площади), снижением водопроницаемости подпахотных горизонтов (32% площади), заилением дренажных фильтров (17% площади), снижением проницаемости траншейной засыпки (12% площади). Это обусловлено не только недостатками в конструкции, строительстве и эксплуатации дренажа, низким уровнем технологии выращивания урожая на дренированных землях, но также тем, что не учитываются изменения почвенных, микроклиматических и экологических факторов и ограничения на использование водных, земельных и энергетических ресурсов. Для решения задач длительного эффективного использования мелиорированных земель необходим комплексный подход, который в соответствии с идеями А. Н. Костякова и С. Ф. Аверьянова основан на теоретических разработках, инженерно-мелиоративных решениях и агромелиоративных методах создания и эксплуатации осушительных систем.

2. В многолетних полевых экспериментах исследована эффективность работы гончарного дренажа и динамики физических, физико-химических и агрохимических свойств тяжелых дерново-подзолистых оглеенных почв при разных сроках его эксплуатации.

Закрытый гончарный дренаж с междренными расстояниями 18 м и глубиной их закладки 1,2 м улучшает водно-воздушный режим и повышает продуктивность сельскохозяйственных земель. Действие дренажа усиливается при проведении глубокого рыхления. Однако эффективность его влияния снижается с увеличением срока действия.

Установлено:

— Водно-физические свойства осушенных дерново-подзолистых оглеенных почв заметно улучшаются вследствие их окультуривания, особенно на фоне глубокого рыхления. Так, в слое почвы 0−60 см плотность уменьшилась на 3−4%. На фоне глубокого рыхления показатели плотности, пористости, твердости и структуры почвы в среднем за 4 года улучшились на 5−10%, а водопроницаемость увеличилась в 3−4 раза. Продолжительность действия дренажа в течение 5—13 лет не сказывается отрицательно на этих свойствах. При более длительной работе дренажа (до 25 лет) отмечается тенденция восстановления исходных значений этих показателей.

— Химические свойства осушенных почв улучшаются. Так, в слое 0−30 см кислотность из среднекислой перешла в слабокислую (от рН 4,6−4,9 до рН 5,2−5,9). Содержание гумуса увеличилось от 1,54−1,65 до 1,63−1,75% (на 5−7%), также произошло увеличение подвижного фосфора и обменного калия до оптимальных значений.

— С увеличением длительности действия дренажа от 5—8 до 22−25 лет происходит заметное снижение модулей дренажного стока, их объемов и коэффициентов стока. Средние модули стока при этом уменьшились на 25,9%, а объемы стока — на 39,7 и 24,0% соответственно на неочищенных и очищенных от заиления дренах. Проведение очистки дрен после 22 лет работы дренажа способствовало увеличению объема дренажного стока на 33,9%, а после 5 лет работы — на 6,3%. В среднем за 4 года глубокое рыхление обеспечивало увеличение объема стока на 12,8%, а в сочетании с очисткой дрен (при длительности действия дренажа 22−25 лет) — на 54,2%. При этом продолжительность стока сокращалась на 2−5 суток при глубоком рыхлении и возрастала при увеличении срока действия дренажа от 5−8 до 22−25 лет.

— Коэффициент дренажного стока при увеличении продолжительности действия дренажа от 5−8 до 22−25 лет снизился от 0,32−0,3 до 0,19−0,21 на неочищенных дренах и от 0,34−0,38 до 0,25−0,28 на очищенных от ила дренах. Глубокое рыхление способствовало увеличению коэффициента дренажного стока на 10,5−16,0%.

— Рыхление — щелевание дренированных дерново-глеевых почв способствует увеличению дренажного стока в среднем на 22−30%, снижению уровня почвенно-грунтовых вод на 12−14 см и влажности корнеобитаемого слоя на 5−9% от наименьшей влагоемкости (НВ). При этом продуктивность зерновых увеличилась в среднем на 7,6−10,9%, викоовсяной смеси на 15,1−21,4%).

— Наибольшая урожайность сельскохозяйственных культур была получена на участке с продолжительностью действия дренажа 5−8 лет (в среднем за 4 года — 3,17 тыс. к.е./га). При увеличении продолжительности его действия до 10−13 и 22−25 лет урожайность снижалась соответственно на 4,7 и 12,0%. Проведение глубокого рыхления повышало урожайность сельскохозяйственных культур в среднем на 0,26−0,27 тыс. к. е независимо от срока действия дренажа. Очистка дрен обеспечивала увеличение урожайности на 0,14 тыс. к.е. с 1 га при длительности действия дренажа 5−8 лет, на 0,20 и 0,49 тыс. к.е. с 1 га при длительности действия дренажа соответственно 10−13 и 22−25 лет.

3. При увеличении продолжительности действия дренажа наблюдается повышение уровня почвенно-грунтовых вод. За период интенсивного стока из дрен (с 21 апреля по 30 июня) в среднем за 4 года их уровень залегал на глубине 90 см при длительности действия дренажа 5−8 лет и был выше на 6 и 16 см (84 и 74 см от поверхности) соответственно при увеличении его действия до 10−13 и 22−25 лет. Влажность почвы в слое 0−50 см в предпосевной и начальный периоды вегетации повышалось в среднем на 2,6−5,4% от ПВ, а продолжительность переувлажнения — на 8−12 дней при увеличении срока действия дренажа от 5−8 лет до 22−25 лет. При длительной эксплуатации дренажной системы (22−25 лет) заиление дрен достигает более 50% площади их сечения при мощности наилка 26−32 мм. На участках с меньшим сроком действия дренажа (5−8 и 10−13 лет) заиление дрен не превышало 15−30%. Глубокое рыхление обеспечивало понижение уровней в среднем на 8−9 см. Очистка дрен способствовала снижению продолжительности переувлажнения и понижению уровней почвенно-грунтовых вод в среднем на 3−5 и 18 см соответственно при продолжительности действия дренажа 5−13 и 22−25 лет, а совместное действие очистки с глубоким рыхлениемна 16 и 26 см. Кроме того, способствовало поддержанию оптимального режима влажности почвы в засушливые периоды и уменьшала толщину наилка в 3−4 раза.

4. Установлено, что в эколого-экономическом плане торфяные и малопродуктивные минеральные почвы следует использовать в сельскохозяйственном производстве при проведении оптимизации их основных показателей плодородия путем структурной мелиорации (пескования, торфования). Длительное использование маломощной торфяной почвы в сельскохозяйственном производстве приводит к ее деградации, потере признаков торфяной и эволюционирования ее в почву, близкую по своим свойствам к дерново-подзолистым почвам.

Разработана технология оптимизации почв, которая найдет практическое применение при восстановлении нарушенных (деградированных) минеральных земель, при коренной реконструкции устаревших мелиоративных систем, при сохранении и продлении жизни торфяных почв. Торфование минеральных и пескование торфяных почв — высокоэффективный способ повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Урожай картофеля и зерновых культур повышается соответственно на 15−20%. При этом затраты на оптимизацию окупаются за 3−4 года.

5. Установлено, что суммарный эффект влияния осушения на прилегающие земли с учетом зон положительного, отрицательного и нейтрального его проявления является положительным, а имеющиеся отрицательные последствия чаще всего перекрываются положительным эффектом.

6. Предложенная система земледелия на антропогенных почвах (структура посевных площадей, рациональные севообороты, система удобрений и т. д.) позволила значительно увеличить эффективное их плодородие в среднем в 2 раза и более.

Предложенные способы и элементы технологий прошли экспериментальную проверку и апробацию в Центральном районе Нечерноземной зоны РФ. Они доведены до уровня технологий и могут использоваться в производстве.

7. Разработаны методы расчета дренажа с учетом проницаемости дренажных фильтров, траншейной засыпки, зон обработок в осушаемом грунте. Анализ полученных решений показал, что наиболее существенное влияние на режим работы дренажа оказывает соотношение проницаемостей элементов конструкции дренажа и осушаемого грунта, далее по степени влияния идет удаление границы элемента от контура дрены и размеры элемента или включения. Обоснованность предложенных методов подтверждают результаты расчета для частного случая по методу академика П.Я. Полубариновой-Кочиной, данные полевых исследований и моделирование на ЭГДА.

8. Созданы способы, снижающие отрицательное влияние на урожай неравномерности дренирования различных участков междренья и сокращения сброса нитратов в дренажные воды, путем дифференцирования мелиоративных обработок по ширине междренья (патенты РФ № 2 194 386).

9. Предложены новые элементы конструкции дренажа, способы контроля и эксплуатации, которые включают глубокое рыхление зон размещения истоковых участков дрен осу-шительно-увлажнительных систем (заявка на изобретение № 2 001 134 063) и перекрытие истоковых участков дрен, впадающих в соседние коллекторы (заявка на изобретение № 2 001 134 064) устройство контрольных участков со сходящимися дренами и проведение комплекса наблюдений в наблюдательных створах (патент РФ № 2 199 625).

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА.

1. Оптимизацию параметров дренажа на тяжелых почвах при проектировании рекомендуется устанавливать в два этапа. На первом этапе междренное расстояние и глубина укладки дрен определяются по ранее созданным методикам без учета влияния дренажных фильтров, траншейной засыпки, рыхления. На втором этапе параметры дренажа, конструкцию дренажного фильтра и состав засыпки уточняют по теоретически разработанным методам, изложенным в главах 3 и 6 диссертации. При этом оптимальными параметрами дренажа на дерново-подзолистых оглеенных почвах являются: междренные расстояния -18 м, глубина закладки дрен — 1,2 м в сочетании с рыхлением почвы на глубину 0,6 м один раз в 4 года.

2. Для повышения эффективности работы дренажа и его эксплуатационной надежности необходимо проводить промывку дрен от заиления не реже одного раза в 15−20 лет. С учетом экспериментов, проведенных в Белорусском Полесье необходимо сочетать дренаж с мероприятиями по ускорению поверхностного стока и агротехническими мероприятиями по оптимизации показателей плодородия (известкование, внесение минеральных и органических удобрений, специальных севооборотов).

3. Технологические способы экологической оптимизации плодородия мелиорируемых торфяных и минеральных почв предусматривают внесение песка (супеси) в дозе 12 001 500 т/га и торфа в дозе 300−400 т/га соответственно, один раз в 4 года.