Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ агроэкологической оценки и мониторинга мелиоративного состояния ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ сухостепной зоны ПОВОЛЖЬЯ

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Янюк Вячеслав Михайлович

Саратов- 2007

1. Общая характеристика работы

Актуальность исследований. Объективная необходимость решения комплекса социально-экономических и народно-хозяйственных задач обусловила широкое развитие мелиоративного комплекса в Поволжье. Изменения экономических условий в стране привели к негативным процессам в сельском хозяйстве и особенно в мелиоративно-водохозяйственном комплексе. Это проявляется в резком снижении общей площади орошаемых земель, и в их продуктивности.

Практически все орошаемые участки и системы построены в 70-х начале 80-х годов и требуют проведения ремонтно-восстановительных работ, а около 40% - реконструкции. Учитывая современное экономическое состояние сельскохозяйственных предприятий, решение этого вопроса не возможно без самого активного участия государства. Вместе с тем, в настоящее время не разработана научно-методическая база, обеспечивающая приоритетность реализации технически и экологически более совершенных проектных решений. Эффективность использования в сельскохозяйственном производстве дополнительного ресурса влаги определяется как оптимальностью его соотношения с другими видами необходимых для производства ресурсов (тепловых, почвенных, материально-технических, финансовых, трудовых), так и сохранением экологической устойчивости агроландшафтов. Для оптимизации выбора объектов и видов мелиоративного воздействия необходима разработка интегральных показателей уровня технического состояния гидромелиоративных систем и моделей, адекватно отражающих прирост агропроизводительной способности почв и экологические издержки при орошении. Основным показателем услуг мелиоративно-водохозяйственного комплекса становится прирост или восстановление плодородия почв сельскохозяйственных угодий, улучшение экологического состояния территории, сокращение затрат всех видов ресурсов на создание единицы полезной продукции.

Переход мелиоративно-водохозяйственного комплекса на экономические методы управления и реализация механизма устойчивого развития предполагает совершенствование системы природно-мелиоративного мониторинга. Её формирование должно вестись на качественно новых принципах, учитывающих специфику, как природных составляющих регионов, так и весь комплекс антропогенных нагрузок, связанных с мелиоративной и сельскохозяйственной деятельностью, рассматриваемых в виде единой системы.

Низкий уровень использования агроресурсного потенциала орошаемых земель в стране и регионе, продолжающееся масштабное снижение плодородия почв, убедительно свидетельствуют о необходимости совершенствования системы управления в этой сфере. Решение этой задачи в современных экономических условиях на основе системного подхода к реализации принципов эффективного использования и охраны плодородия почв представляет собой актуальную научно-методическую проблему, а успешное её решение имеет большое практическое значение. Её основополагающим моментом является повышение достоверности информации о параметрах состояния мелиорированных агроландшафтов и уровня адекватности знаний о происходящих в них процессах, а также включение их (информации и знаний) в систему управления земельными ресурсами, проектирования и эксплуатации орошаемых земель.

Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось совершенствование агроэкологической оценки орошаемых земель и оптимизации информационного обеспечения при формировании системы мониторинга, как инструментов повышения эффективности управления и охраны плодородия почв.

Для реализации указанной цели решались следующие основные задачи:

Разработка и экспериментальное обоснование метода математического моделирования водного режима почв и водопотребления культур, учитывающего вероятностный характер процессов.

Изучение влияния орошения и способов управления пищевым режимом на баланс гумуса и агрофизические свойства темно-каштановых почв для обоснования затрат на воспроизводство плодородия почв.

Изучение и количественное описание процессов формирования баланса грунтовых вод и водно-солевого режима орошаемых почв.

Изучение пространственной и временной изменчивости показателей мелиоративного состояния орошаемых земель.

Разработка шкалы диагностики вторичного засоления и переувлажнения орошаемых почв Поволжья по показателям глубины залегания и минерализации грунтовых вод.

Разработка модели потребительской стоимости информации о плодородии почв сельскохозяйственных угодий при формировании земельно-информационных систем.

Научная новизна работы заключается в обосновании ресурсного подхода к агроэкологической оценке земель, как способа приведения сложного сочетания природных и хозяйственных факторов, качества информационных активов о них в интегральные и сопоставимые показатели эффективности использования и охраны плодородия почв:

- агропроизводительной способности почв (АПСП), как показателя ресурсообеспеченной урожайности;

- затрат на регулирование баланса органического вещества и элементов минерального питания, обеспечивающих заданный уровень реализации АПСП;

- затрат на информационное обеспечение управления и, зависящие от них, риски потерь АПСП и ущерба эколого-ресурсному потенциалу земель.

В работе впервые разработаны или получили дальнейшее развитие:

1. Модель формирования эффективного ресурса влаги на орошаемых землях, в которой детерминированное описание водного режима почв и водопотребления культур учитывает вероятностный характер формирования дефицита водопотребления, режима водоподачи и усвоения почвой дополнительного ресурса влаги.

2. Аналитическое решения и экспериментальное подтверждение балансовой модели запасов гумуса, обеспечивающей прогнозную оценку их изменения и параметры затрат на воспроизводство плодородия почв в зависимости от условий сельскохозяйственного использования (набор культур и их продуктивность).

3. Метод описания вертикального влагообмена и равновесного солевого баланса, устанавливающий в явном виде взаимосвязь параметров солевого режима почв с комплексом неуправляемых природных и управляемых хозяйственных факторов.

4. Метод диагностики засоления и переувлажнения почв, оценки мелиоративного состояния орошаемых земель Поволжья по комплексу режимообразующих факторов.

5. Метод оценки потребительской стоимости (общественно-необходимых затрат) информации о качественных характеристиках сельскохозяйственных угодий, как ресурса управленческой деятельности.

Практическая значимость. Реализация предлагаемых подходов к агроэкологической оценке орошаемых земель даёт возможность учесть в интегральных показателях эффективности использования и охраны плодородия почв:

- системную сложность почв, как объекта управления;

- вероятностный характер параметров состояния почв и управляющих воздействий;

- параметры технических средств и технологий по управлению водным режимом;

- качество информации и знаний о параметрах состояния и процессах в агроландшафтах как ресурса управленческой деятельности.

Прикладное значение работы проявится в повышении эффективности решения следующих задач:

1. Модель формирования эффективного ресурса влаги является инструментарием для разработки нормативов агроэкологической оценки орошаемых земель, технических средств и технологий полива, без которых невозможна их экономическая оценка и обоснование инвестиций в мелиоративно-водохозяйственный комплекс.

2. Метод определения затрат на воспроизводство плодородия почв унифицирует расчёты и повышает адекватность учёта различий в уровне плодородия почв при экономической оценке сельскохозяйственных угодий.

3. Метод описания вертикального влагообмена и равновесного солевого баланса сводит к минимуму необходимость наиболее трудоёмких экспериментальных полевых наблюдений, обеспечивая решения задач по диагностике мелиоративного состояния орошаемых земель и оптимизации мелиоративного режима в сложных гидрогеологических условиях.

4. Внедрение разработанной шкалы оценки мелиоративного состояния повысит адекватность отражения в информации мониторинга орошаемых земель проявление процессов засоления и переувлажнения почв и даст возможность использовать её в экономической оценке земельных ресурсов.

5. Модель потребительской стоимости информации о показателях плодородия почв сельскохозяйственных угодий является инструментарием для обоснования требований к качеству информации и оптимизации затрат при формировании государственных систем кадастра и мониторинга земель.

На защиту выносится ресурсный метод агроэкологической оценки орошаемых земель и оптимизации её информационного обеспечения включающий:

1. Модель формирования эффективного ресурса влаги как инструментарий агроэкологической оценки орошаемых земель, технических средств и технологий управления водным режимом почв.

2. Метод учета затрат на воспроизводство плодородия почв в цене производства растениеводческой продукции для земельно-оценочных работ.

3. Метод описания вертикального влагообмена и равновесного солевого баланса для обоснования оптимальных параметров мелиоративного режима при близких грунтовых водах.

4. Метод диагностики вторичного засоления и переувлажнения орошаемых почв и оценочные шкалы по основным почвенно-геоморфологическим районам Поволжья.

5. Модель потребительской стоимости информации о качественных характеристиках сельскохозяйственных угодий при формировании земельно-информационных систем и параметры оптимальной детальности наблюдений за эколого-мелиоративным состоянием орошаемых земель Поволжья.

Реализация работ. Основные результаты и практические рекомендации были использованы при составлении: «Методических рекомендаций по оценке вторичного засоления орошаемых земель» (1987); «Временных рекомендаций по определению категорий мелиоративного состояния орошаемых земель среднего и нижнего Поволжья» (1987); «Методического руководства по методам контроля и критериям оценки мелиоративного состояния орошаемых земель Поволжья» (1991), используемых в системе гидрогеолого-мелиоративных партий региона; а также в разделах по мелиорации земель «Системы ведения агропромышленного производства Саратовской области» (1998).

Материалы диссертации использовались для разработки проектов строительства и реконструкции Старо-Полтавской оросительной системы в Волгоградской области, участков вертикального дренажа на Энгельсской оросительной системы, Бурдинской системы лиманного орошения, и ряда участков орошения в Краснопартизанском районе Саратовской области.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Втором форуме почвоведов России, Пущино, 1993; Всесоюзном совещании «Проблемы экологии, воспроизводства плодородия почв…», Херсон, 1990; Всеросийских научных и научно-практических конференциях: «Возрождение Волги», Саратов, 1998; «Агрогенная деградация почвенного покрова», Москва, 1998; «К 200-летию Российской АН», Саратов, 1999; «Повышению эффективности использования земель лиманного орошения», Саратов, 1999; «К 65-летию Энгельсской ОМС и 35-летию ГУ ВолжНИИГиМ», Энгельс, 2001; «Эволюция и деградация почвенного покрова», Ставрополь, 2002; «Агроэкологические проблемы сельскохозяйственного производства», Пенза, 2005; «Землеустроительное и кадастровое обеспечение…», Омск, 2005; Вавиловских чтениях, Саратов, 2005; ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2000-2007. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 46 печатных работах.

Организация исследований. Исследования по теме диссертации проводились в период работы в Волжском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации (ВолжНИИГиМ) с1974 по 2000 гг., а также при обучении в докторантуре СГАУ им Н.И. Вавилова - 2004-2007 гг.. Работа содержит результаты исследований, выполненных лично автором по заданиям организаций Минводхоза СССР, Минсельхоза РФ, в рамках Федеральных и региональных программ развития мелиоративно-водохозяйственного комплекса и повышения плодородия почв. В работу включены также результаты производственного опыта, заложенного Федориной В.М. в 1982 г и выполнявшегося с 1991 по 1999 гг. под руководством автора. Диссертационная работа является завершением экспериментальных исследований и теоретических обобщений.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам лаборатории мелиорации почв и экологии: к. с.-х. н Федориной В.М., к.б.н. Галибину А.Н., к. с.-х. н. Романовой Л.Г., Майоровой В.В., Лимаревой Л.И., Кижаеву В.В, с которыми проводились экспериментальные исследования, а так же к.т.н. Фальковичу А.С., Доржиеву В.С., участвовавших в разработке и реализации программ на ЭВМ, Холуденёвой О.Ю. и Кривкину А.А. за помощь в оформлении диссертации.

Автор искренне признателен за ценные консультации, помощь и поддержку академику ВАСХНИЛ Егорову В.В., д. б. н. Козловскому Ф.И., д. с.-х. н. Синицыной Н.Е., д. с.-х. н. Решетову Г.Г., к. с.-х. н. Платоновой Т.К..

Личный вклад автора заключается в разработке программы и методики исследований, проведении экспериментальных наблюдений, интерпретации и обобщении данных, разработке и реализации предложенных концепций агроэкологической оценки орошаемых земель, потребительской стоимости информации при формировании земельно-информационных систем.

2. Основные концептуальные положения решения поставленных задач

Методология исследований базировалась на общетеоретических положениях, изложенных в трудах А.А. Роде, В.А. Ковды, В.В. Егорова, Ф.И. Козловского, Б.А. Зимовца, И.И. Карманова, А.Д. Воронина, Е.И. Панковой, Е.А. Дмитриева, В.И. Кирюшина, Н.И. Парфёновой, Е.В. Шеина, С.И. Харченко, И.А. Кузника, И.П. Кружилина, Д.М. Каца, А.И. Голованова, Л.М. Рекса, E. Bresler. D.L. Carter и др., и предполагает системный подход в решении проблемы охраны плодородия орошаемых почв и эффективного использования водных ресурсов, основой которого является взаимосвязанность всех основных средств и методов управления воспроизводственными процессами в орошаемом земледелии.

В агроэкологической оценке орошаемых земель, представляющих композицию взаимодействующих и взаимообуславливающих компонент природных ландшафтов и инженерных сооружений, особую роль приобретает учёт параметров технического состояния гидромелиоративных систем и изменений гидрохимического режима территории. Здесь на первый план выходит тот блок агроэкологической оценки, который обеспечивает приведение сложного сочетания природных условий (климат, почвы, гидрогеология) и параметров технического состояния гидромелиоративных систем в интегральные и сопоставимые показатели эффективности управления плодородием почв, без которых невозможна объективная экономическая оценка мелиоративных воздействий. Методологической основой приведения является переход на ресурсный подход к определению показателей оценки:

- агропроизводительная способность почв, характеризующая качество почв сельскохозяйственных угодий для расчёта нормативов их продуктивности;

- условия воспроизводства плодородия почв и учёт, необходимых для этого затрат, в цене производства растениеводческой продукции;

- экологические издержки ирригационного освоения и сельскохозяйственного производства, трансформируемые в изменение интегральных показателей оценки качества земли и эколого-экономического ущерба.

В разрабатываемом ресурсном подходе к агроэкологической оценке агропроизводительная способность почв служит интегральным показателем уровня удовлетворения потребности культур в урожаеобразующих ресурсах. При объективно вероятностном характере их показателей, управляющие воздействия (нормы полива, дозы удобрений и мелиорантов, параметры гидромелиоративных систем) всегда сопряжены с риском отклонения от оптимальных значений. Недостаток интенсивности воздействия ведёт к потере урожая, а избыток к неэффективному расходованию ресурса (его потерям) и, связанным с ним, экологическим издержкам. Величина этих рисков непосредственно связана с качеством информационных активов (данных, информации и знаний), в свою очередь, зависящих от затрат на их получение. Таким образом, показатели качества информационных активов, наряду с объёмами используемых ресурсов и необходимыми для этого затратами, становятся показателями эколого-экономической эффективности управления плодородием почв. Методология потребительской стоимости (полезности) информационных активов, как ресурса управленческой деятельности базируется на формализованном описании:

- ширины интервала неопределённости целевого показателя управления, обусловленного в совокупности погрешностью модели объекта и параметров его состояния;

- величины ущерба и потерь в управляемой системе в зависимости от риска целевого показателя управления, оцениваемого по вероятности принятия неправильного управляющего воздействия.

Для реализации ресурсного подхода к агроэкологической оценке земель, учитывающей в своих показателях качество информационных активов, необходимо построение комплексной модели плодородия орошаемых почв, включающей взаимосвязанные и взаимодополняемые блоки: формирования эффективного ресурса влаги; формирования эффективного ресурса биогенных элементов (NPK); биопродукционных процессов роста растений и потребления ресурсов; агрофизического состояния почв; баланса органического вещества почв. Наличие вышеперечисленных блоков обеспечит адекватность модели благодаря учёту системной сложности почв, как объекта управления, вероятностной природы параметров его состояния и управляющих воздействий. Решить эту задачу на основе эмпирических зависимостей, сориентированных на традиционную схему полевого опыта, невозможно. Только для одного сочетания почвенно-климатических условий слишком многофакторным и длительным должен быть эксперимент.

Определяющим фактором плодородия орошаемых почв аридной зоны является и водно-солевой режим (ВСР). Именно с нарушением гидрохимического режима территории связаны основные экологические издержки орошения. Своевременная диагностика негативных процессов, разработка мероприятий по улучшению мелиоративного состояния орошаемых земель, рациональному использованию и охране от загрязнения водных ресурсов, создание методов комплексного регулирования ВСР, всё это требует всестороннего и системного изучения факторов, процессов и закономерностей формирования водного и солевого режимов почв и грунтов мелиорируемых массивов.

3. Состав, объекты и методы исследований

Основная часть экспериментальных исследований проводилась в сухостепной зоне Заволжья на темно-каштановых и каштановых почвах Волжских террассах и долин малых рек Заволжья: Иргиз, Караман, Еруслан. Здесь сосредоточено около 60% ирригационного фонда Поволжья. Это обусловлено минимальными затратами на подачу воды и рельефными условиями. Структура экспериментальных работ приводится в таблице 1.

Валуйский опытно-мелиоративный пункт ВолжНИИГиМ (ВОМП) находится в Старополтавском районе Волгоградской области и известен как крупный старейший (начиная с 1894 года) участок регулярного орошения в Поволжье. Он расположен на второй надпойменной террасе р. Еруслан в пределах Прикаспийской низменности. Почвенный покров представлен орошаемыми каштановыми остаточно-олуговелыми глинистыми почвами, подстилаемыми со 100-140 см хвалынскими шоколадными глинами. Грунтовые воды за последние 50 лет стабилизировались на отметках 0,5-4,0 м с годовой амплитудой колебания уровня 0,5-1,0 м. Их минерализация варьирует от 4 до 14-18 г/л. Основная часть орошаемого массива в разной степени засолена. Полив осуществлялся дождевальными машинами ДДА-100МА водой р. Еруслан.

ОПХ ВолжНИИГиМ находится на южной окраине г. Энгельса и входит в состав Энгельсской оросительной системы (1 очередь). Участок расположен на третьей (хазарской) надпойменной террасе р. Волги. Грунтовые воды залегают на глубине 18-20 м с минерализацией от 0,3 до 2-3 г/л. Зона аэрации сложена древнеаллювиальными отложениями хазарского яруса с чередованием слоёв суглинков, песков и супесей. Почвенный покров пространственно однородный и представлен темно-каштановыми среднемощными среднесуглинистыми незасоленными почвами. Полив волжской водой осуществлялся машинами ДДА-100МА. Орошение участка началось с 1948 года.

АО «Мелиоратор» Марксовского района входит в Приволжскую оросительную систему. Участок расположен на выходе раннехвалынской террасы р. М. Караман в долину р. Волги. Зона аэрации сложена древнеаллювиальными отложениями и представлена переслаивающимися суглинками, супесями и песками. Грунтовые воды до начала орошения (1970 г.) находились на глубине 15-20 м, а с конца 80-х годов стабилизировались на отметках 0,5-3,0 м.

Таблица 1. Структура экспериментальных работ

В почвенном покрове преобладают темно-каштановые остаточно-олуговелые тяжелосуглинистые почвы. Полив осуществлялся ДМ «Фрегат». Характеристика некоторых свойств почв и грунтов базовых объектов исследований приводится в таблице 2.

Методика исследований. Лизиметрические исследования на ВОМП (1975-1980 гг.) включали определение статей водного и солевого баланса при постоянной глубине грунтовых вод 1,0 и 2,0 м в условиях черного пара, яровой пшеницы и люцерны

В опытах использовалось 6 лизиметров с УГВ 1 м и 18 - с УГВ - 2 м, заряженных монолитами почвогрунтов в металлические оболочки диаметром 100 см. Наблюдения велись в теплый период года (апрель-октябрь). При УГВ 1м применялись растворы с минерализацией 7,0-7,5 г/л, при УГВ 2,0 м - 10,5-11,0 г/л.

Таблица 2. Характеристика свойств почв на объектах исследований

Наблюдения за условиями формирования водно-солевого режима, УГВ и статьями водного баланса в полевых условиях велись на закрепленных режимных площадках (РП). На каждом объекте они характеризовали наиболее существенный спектр варьирования режимообразующих факторов - глубины и минерализации грунтовых вод. Размер площадок от 100 до 500 м². Повторяемость определения засоленности почв, грунтов и грунтовых вод в каждый срок наблюдений в разные годы варьировала от 5 до 24-кратной.

Пространственное варьирование засоления в пределах элементарного почвенного ареала изучалось траншейным и площадным методами в соответствии с рекомендациями Ф.И. Козловского и А.А. Роде (1976, 1977). Траншеи закладывались на староорошаемом (50 лет) Тр-1 и целинном Тр-2 участках ВОМП с вертикальным шагом опробования 10 и 25 см, горизонтальным 25 и 33 см, соответственно. В каждой траншее отбирались по 80 колонок шириной 5-6 см. При площадном опробовании на площадках размером 24х24 м (5шт на ВОМП и одна в совхозе «Новый»), скважины (от 48 до 97) закладывались по сетке с фиксированным шагом - 3 м. Для изучения варьирования показателей мелиоративного состояния на уровне поля в совхозе «Новый» в 1986 г. проведено опробование по сетке из 53 скважин на площади 48 га в пределах одной почвенной разности.

Производственный опыт в ОПХ ВолжНИИГиМ по изучению влияния длительного орошения при различных способах управления пищевым режимом на баланс гумуса и агрофизические свойства продолжался в течение 3 ротаций (1982-1999 гг.) шестипольного зерно-траво-пропашного севооборота. Он включал варианты: контроль; дозы минеральных удобрений, рассчитанных на средний и на повышенный урожай; дозы органических и минеральных удобрений, рассчитанных на средний урожай. Площадь каждого варианта опыта - 1 га.

Дозы удобрений рассчитывались в соответствии с общепринятыми рекомендации по программированному выращиванию сельскохозяйственных культур. В опыте осуществлялся комплекс наблюдений за водным и пищевым режимами, агрофизическими свойствами, содержанием и качественным составом гумуса, урожайностью культур в соответствии с общепринятыми методическими рекомендациями.

На всех объектах, где велись режимные исследования, определялся стандартный набор водно-физических свойств: удельный вес твёрдой фазы почв, плотность, максимальная гигроскопичность, наименьшая влагоемкость, влажность разрыва капиллярной связи, водопроницаемость по общепринятым методикам (А.Ф. Вадюнина, З.А. Корчагина, 1986). На объектах, где осуществлялась верификация модели формирования эффективного ресурса влаги (ВОМП, ОПХ ВолжНИИГиМ), отбирались монолиты и в специализированной лаборатории ВолжНИГиМ определялись гидрофизические параметры методами капилляриметра и тензиостата. Статистическая обработка данных проводилась методами корреляционного и дисперсионного анализа, анализа временных рядов с помощью программы STATGRAF и процессора электронных таблиц Excel 2000, входящего в состав программного комплекса Microsoft Office 2000.

4. Агропроизводительная способность орошаемых почв

Объективность агроэколого-экономической оценки орошаемых земель и технико-экономического обоснования проектных решений определяется научной обоснованностью используемых параметров. В первую очередь, это относится к приросту урожайности культур, которая интегрирует влияние многих факторов. Переходя от модельных опытов или небольших опытных делянок к масштабам поля, мы неизбежно сталкиваемся с эффектом пространственного варьирования, как самих свойств почв, так и управляющих воздействий. Этот факт общеизвестен и включался в оценку эффективности агротехнических мероприятий (Е.Е. Жуковский, Ю.А. Закарян, 1984; З.А. Прохорова, 1993; А.С. Фрид, 2002; С.В. Шабанов, 2005; и др.).

Формирование влагозапосов при поливе это не алгеброическое сложение средних значений исходных влагозапасов () и поливной нормы (), а взаимодействие двух совокупностей (рис.1).

Рис .1 Формирование влагозапасов почв при поливе

Параметры новой совокупности - влагозапасов почв после полива (, ) зависят и от параметров варьирования исходных влагозапасов () и поливной нормы (). На части поля может происходить инфильтрация даже в том случае, когда среднее значение значительно ниже величины наименьшей влагоёмкости (НВ). Одновременно, если сроки поливов, рассчитываемые по средним значениям статей водного баланса, будут назначаться по влагозапасам нижнего порога их физиологического оптимума, то к моменту проведения очередного полива растительный покров на 50% площади поля уже будет испытывать недостаток влаги. Это приведет к снижению интенсивности биопродукционных процессов на этой части площади поля.

Аппарат теории вероятностей позволяет оценить величину инфильтрационных потерь на основе параметров распределения исходных влагозапасов и поливной нормы. Алгоритм решения этой задачи изложен в совместной работе (Янюк В.М., Фалькович А.С., 2002). Доля инфильтрационных потерь (I), выраженная через интеграл вероятности, рассчитывается по следующему выражению:

,(1)

где Ф - табличная функция (интеграл вероятности); W_max, W_min - максимальные и минимальные значения влагозапасов после полива и рассчитываются по суммам соответствующих величин влагозапасов перед поливом и поливных норм.

Объективную оценку влагообеспеченности посевов на орошаемых землях невозможно получить без учета: а) не стационарности климатических условий и, соответственно, дефицита водопотребления культур орошаемого севооборота в сезонном и многолетнем аспекте; б) стохастичности процесса усвоения дополнительного ресурса влаги во взаимосвязи с ограниченной впитывающей способностью почв, высокой интенсивностью и неравномерностью поступления искусственного дождя. Учесть влияние этих факторов и включить в систему агроэкологической оценки орошаемых земель позволяет метод математического моделирования водного режима почв и водопотребления культур.

Инструментарием решения этой задачи является разработка модели формирования эффективного ресурса влаги (ЭРВ). Под ЭРВ понимается только та часть ресурса влаги, которая непосредственно участвует в биопродукционных процессах - транспирации растительного покрова, обеспечивая прирост агропроизводительной способности почв. Явно выраженная неравномерность в многолетнем и сезонном аспектах климатических факторов интенсивности водопотребления культур и его дефицита, делают необходимым определение не только абсолютных, но и относительных (приведенных) значений ЭРВ:

,(2)

где Е₀ и - оптимальная и фактическая величина транспирации i-той культуры для задаваемого сочетания почвенно-климатических условий.

Соответствующие индексы означают, что в определении объема влаги, непосредственно участвующей в биопродукционных процессах (транспирации), учтено влияние лимитирующих факторов: б - агрофизических свойств почв; в - организационно-технических условий орошаемого участка по обеспечению оптимального режима водоподачи; г - параметров впитывающей способности почв и дождевальной техники, характеризующих равномерность распределения по площади поля дополнительного ресурса влаги.

Учет большого числа факторов, влияние которых носит нелинейный и, как правило, вероятностный характер, вынуждает при оценке влияния конкретного фактора на конечный результат - рассматривать всю систему «климат - почва - растение - проводящая сеть - техника полива». Функция отклика этой системы на поведение отдельного фактора будет иметь индивидуальный характер и может быть получена на основе прямого расчета, то есть путем решения прогнозной задачи. Общая схема взаимодействия факторов формирования ЭРВ, в разработанной для этого под руководством автора модели имитационного эксперимента, приводится на рисунке 2. В качестве блока описания влагопереноса используется модифицированная совместно с А.С. Фальковичем программа WAS-61 (Л.М. Рекс, А.М. Якиревич, 1984).

Рис. 2 Схема взаимодействия факторов при оценке эффективного ресурса влаги в орошаемых почвах на основе имитационного эксперимента

Верификация модели формирования ЭРВ на трех объектах с различными почвенно-климатическими условиями (черноземы, темно-каштановые и каштановые почвы) показала приемлемый уровень погрешности в описании водопотребления при отсутствии такого лимитирующего фактора как засоление почв. Основную погрешность вносят: а) использование биоклиматического метода определения оптимального водопотребления культур, относительная погрешность которого составляет 16-23%, б) описание влагопереноса в почве с позиций фиктивно-однородной среды. Наиболее существенные расхождения между рассчитанным и фактическим распределением влажности в корнеобитаемом слое возникают в первые дни после поливов, когда на перемещение почвенной влаги особое влияние оказывает трещиноватость.

С помощью адаптированной модели формирования ЭРВ можно в виде функции отклика в имитационном эксперименте строго количественно оценивать влияния параметров технического состояния и агрофизических свойств почв на приведенный к оптимальным условиям водопотребления ЭРВ () и агропроизводительную способность орошаемых почв (рис. 3).

Рис. 3 Оценка влияния показателей технического состояния гидромелиоративных систем на приведенный эффективный ресурс влаги ()

Промежуточным этапом определения агропроизводительной способности орошаемых почв на основе ЭРВ является его трансформация в показатели сопоставимого уровня потенциального плодородия, используемые при оценке богарных почв. Если результаты оценки сориентированы на использование среднеобластного уровня интенсификации производства, то показателем потенциального плодородия служит совокупный почвенный балл (Б_БП). На его основе рассчитывается сопоставимая нормальная или кадастровая урожайность (У_СП). Для высокой культуры земледелия, предполагающей использование интенсивных технологий и оптимизацию пищевого режима почв, нормативная урожайность (У_Н) определяется на основе агроэкологического потенциала (Методические рекомендации по оценке качества и классификации земель …, 2003).

Автором предложен алгоритм решения задачи трансформации ЭРВ, как интегрального показателя качества орошаемых почв, в значения сопоставимой нормальной и нормативной урожайности (таблица 3). Для этого определяется регрессионный параметр - цена приведенного эффективного ресурса влаги (Ц_ЭРББ) в количественном показателе уровня потенциального плодородия богарных почв по уравнению связи:

,(3)

где ПЭРВ_БПi - приведенный эффективный ресурс влаги для богарной почвы с баллом бонитета Б_БПi.

Определив по параметрам агрофизических свойств и уровня технического состояния орошаемого участка ПЭРВ орошаемой почвы, с помощью Ц_ЭРББ мы получаем сопоставимую с богарным аналогом количественную оценку уровня потенциального плодородия в баллах бонитета (Б_ОПi) и соответствующую ему сопоставимую нормальную урожайность :

,(4)

где Ц_УБ - урожайная цена балла бонитета почв, используемая при экономической оценке земель.

Существующие нормативные базы определения урожайности для экономической оценки орошаемых земель и технико-экономического обоснования проектов орошения не только не учитывают параметры агрофизического состояния почв и уровня технического состояния гидромелиоративных систем, но и не согласованы между собой. В частности сопоставимая нормальная урожайность, используемая в оценке земель, для рассмотренного примера составит 2,99 т/га у зерновых и 5,42 т/га сена люцерны. Проектная урожайность (дифференцируемая только между областями) по Саратовской области на 1990-1995гг. составляла 2,66т/га у зерновых и 6,60 т/га сена люцерны (Н.А. Пронько и др., 2005).

Таблица 3. Агропроизводительная способность орошаемых почв в зависимости от условий формирования ЭРВ и уровня интенсификации производства

5. Оценка гумусного состояния и воспроизводства плодородия орошаемых почв

Одной из важнейших задач в системе управления почвенным плодородием является проблема регулирования режима органического вещества почв. Ее необходимо рассматривать в двух аспектах:

- технологическом - определение объективных показателей гумусированности почв, отражающих уровень их агропроизводительной способности и методов прогноза (управления) гумусового состояния;

- экономическом - включение показателей гумусированности в систему экономической оценки земельных ресурсов и обоснование общественно необходимых затрат на регулирование баланса гумуса в системе воспроизводства плодородия почв.

При орошении появляется ряд факторов, существенно изменяющих условия формирования баланса органического вещества почв. Их действие носит разнонаправленный характер, что отражается в неоднозначности выявляемых изменений в гумусном состоянии орошаемых почв, как по количественным, так и по качественным показателям (Д.С. Орлов, 1987; В.А. Барановская 1992; В.Е. Приходько 1996; В.Г. Бокарев 1999; Н.Е. Синицына,1999).

Наблюдения в производственном опыте ОПХ ВолжНИИГиМ в течение трех ротаций (18 лет) типового зерно-кормо-пропашного севооборота за показателями плодородия темно-каштановых среднесуглинистых почв с различными вариантами управления пищевым режимом выявили следующие основные результаты (таблица 4). Достоверные изменения (увеличение) запасов гумуса произошло только в варианте с применением органических удобрений (навоза) в дозе 40-80 т/га за ротацию и составило 9,0 т/га в пахотном и 6,0 т/га в подпахотном слоях. Существенно не изменился и качественный состав гумуса. В составе его фракций преобладают гуминовые кислоты, связанные с кальцием, и негидролизуемый остаток, содержание которого от внесения повышенных доз минеральных удобрений увеличилось на 4-6%. Аналогичные тенденции изменения качественного состава гумуса при длительном орошении отмечались в исследованиях Н.Е. Синицыной (1999) и В.В. Приходько (2003).

Таблица 4. Основные показатели плодородия тёмно-каштановых среднесуглинистых почв (ОПХ ВолжНИИГиМ Энгельсского района Саратовской области, 1982-1999 гг.)

Величина влагообмена между почвенными и грунтовыми водами очень значима в развитии почвообразовательного процесса. Она определяет геологический круговорот воды и химических элементов на мелиорируемых территориях, с которыми связаны гидрохимический режим почв и проявление процессов засоления, осолонцевания и осолодения. Поэтому направленность и интенсивность вертикального влагообмена непосредственно включают в показатели мелиоративного режима (С.Я. Безднина, 1986; И.П. Айдаров, А.И. Голованов, Ю.И. Никольский, 1990; Б.А. Зимовец, 1991; Н.И. Парфенова, Н.М. Решеткина, 1997; и др.).

Автором на основе лизиметрических исследований и полевых режимных наблюдений разработан и апробирован метод описания вертикального влагообмена (В.М. Янюк, А.С. Фалькович, 1984). Зависимости расхода грунтовых вод от комплекса факторов не определяются непосредственно по данным лизиметрических опытов, а рассчитываются в проводимом на ЭВМ имитационном эксперименте. В лизиметрических опытах определяются зависимости интенсивности расхода (Е) от мощности зоны капиллярного насыщения (h) с учетом направленности процесса - иссушения или насыщения. Смена направленности процесса приводит к изменению интенсивности расхода при h > 1,0 м в несколько раз (рис.5).

Рис. 5 Зависимости интенсивности расхода грунтовых вод (Е) от мощности зоны капиллярного насыщения (h)

Для процесса испарения зависимость E от h определяется в опытах с постоянными (0,5; 1,0; 2,0 м) и переменными (от 1 до 2 м) уровнями грунтовых вод в условиях черного пара с предохранением лизиметров от попадания атмосферных осадков. Для процесса насыщения она определяется в лизиметрах, имеющих мощный иссушенный горизонт (>0,5 м) при отсутствии расхода влаги на транспирацию - после уборки культур в сентябре - октябре

Связь E с h хорошо аппроксимируется формулой С.И. Харченко (r = 0,93):

E = A exp (-mh),(9)

где A и m - регрессионные параметры, характеризующие капиллярные свойства почв и грунтов зоны аэрации; h - мощности зоны капиллярного насыщения, м.

В свою очередь, мощность зоны капиллярного насыщения (h) эмпирической зависимостью связана с приведенными влагозапасами зоны аэрации:

,(10)

где W_ВЗ - влагозапасы зоны аэрации при влажности завядания; P - поровый объем зоны аэрации; H - глубина грунтовых вод; K_W - регрессионный коэффициент.

Апробация метода расчета вертикального влагообмена проводилась сравнением расчетных и фактических значений расхода грунтовых вод (Q), определяемых в лизиметрах ВОМП. При низких значениях Q (<5% от суммарного испарения) погрешность расчета варьировала от 10 до 60%. Для условий, когда расход грунтовых вод составляет более 30 мм, относительная погрешность расчета не превышает 15%. Это вполне соответствует точности определения остальных элементов водного баланса за вегетационный период.

Выполненное имитационное моделирование водопотребления культур, с учетом участия в нем грунтовых вод, в диапазоне УГВ от 1,0 до 2,4 м для набора типичных культур орошаемого севооборота показали, что доля грунтовых вод в суммарном испарении также описывается формулой С.И. Харченко:

,(11)

где U - суммарное испарение, мм; H - глубина грунтовых вод, м; m - регрессионный параметр, характеризующий капиллярные свойства почвогрунтов.

Но величина параметра m не зависит от вида культуры, а соответствует его численным значениям, полученным при расчетах зависимости Е от h (9) для процесса иссушения. Значение параметра А₀, как и доля грунтовых вод в суммарном испарении, изменяется в зависимости от принимаемого в расчетах предполивного порога влагозапасов: 0,8НВ - 7,34; 0,7НВ - 8,63; 0,6НВ -13,57.

Аналитические решения модели равновесного солевого баланса позволяют проводить расчеты взаимосвязи ...