К обоснованию экологических норм водопотребности различных типов почв для оптимизации мелиоративного состояния и почвенного плодородия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

К обоснованию экологических норм водопотребности различных типов почв для оптимизации мелиоративного состояния и почвенного плодородия

В.Н. Щедрин

Цель исследований - обосновать экологические нормы водопотребности различных типов почв для оптимизации мелиоративного состояния и почвенного плодородия. Объект исследования - различные типы почв (серые лесные, черноземные, каштановые, бурые полупустынные). Расчет экологических норм водопотребности почв (ЭНВП) проводился по коэффициенту благополучного экологического состояния почв и ландшафтов. При расчете средневзвешенных биологически оптимальных оросительных норм (БООН), удовлетворяющих потребности растений, по различным типам почв использовались укрупненные нормы водопотребности для орошения сельскохозяйственных культур основных федеральных округов. В результате исследований расчетные БООН предлагаются для орошения сельскохозяйственных культур. Однако для оптимизации почвенных процессов требуется создание условий, приближенных к естественным, что возможно при установлении ЭНВП, которые для серых лесных почв равняются 60-63 мм, черноземов выщелоченных - 87-93 мм, черноземов типичных - 104-120 мм, черноземов обыкновенных - 150-180 мм, черноземов южных - 200-250 мм, каштановых почв - 240-320 мм, бурых полупустынных - 380-550 мм. Таким образом, для получения планируемой урожайности необходимо осуществлять поливы, используя БООН, а ЭНВП показывают, в каком количестве теоретически ежегодно можно давать водные нагрузки для создания периодических естественных условий почвообразования, применяя в севообороте орошаемые и неорошаемые режимы. В орошаемом режиме выращиваются влаголюбивые культуры с БООН, а в неорошаемом - засухоустойчивые, возделываемые без орошения. В целом за ротацию севооборота БООН для культур должны быть равны ЭНВП. Соотношение орошаемых и неорошаемых режимов в процентах составляет для серых лесных почв 34:66, черноземов типичных - 37:63, черноземов обыкновенных Центрально-Черноземных областей (ЦЧО) - 41:59, черноземов обыкновенных Ростовской области - 49:51, черноземов южных - 54:46; темно-каштановых - 67:33; светло-каштановых почв - 70:30.

Ключевые слова: оптимальная экологическая норма, водопотребность, типы почв, требования культур, орошение, условия почвообразования.

The aim of the research is to substantiate the ecological rates of water demand for various types of soils for optimizing the meliorative state and soil fertility. The object of the research is various types of soils (gray forest, chernozem, chestnut, brown semidesert). Calculation of ecological standards of water demand of soils (ESWD) was carried out according to the coefficient of favorable ecological state of soils and landscapes. When calculating the average weighted biologically optimal irrigation rates (BOIR) that satisfy the needs of plants, the enlarged water requirements for irrigation of crops in the main federal districts were used for different soil types. As a result of the research, the calculated BOIR are offered for irrigation of agricultural crops. However, to optimize soil processes, it is necessary to create conditions close to natural ones which is possible with the establishment of ESWD, which for gray forest soils are equal to 60-63 mm, leached chernozems - 87-93 mm, typical chernozems - 104-120 mm, ordinary chernozems - 150-180 mm, southern chernozems - 200-250 mm, chestnut soils - 240-320 mm, brown desert-steppe soil - 380-550 mm. Thus, to obtain the planned yield, it is necessary to use BOIR for irrigation and ESWD show what amount of annual water loads can be used theoretically to create periodic natural conditions for soil formation, using irrigated and non-irrigated regimes in crop rotation. Moisture-loving crops with BOIR are cultivated in the irrigated regime, and in the non-irrigated regime, drought-resistant crops are grown without irrigation. In general, BOIR for crop rotation should be equal to ESWD. The ratio of irrigated and non-irrigated regimes in percent is 34:66 for gray forest soils, 37:63 for typical chernozems, 41:59 for ordinary chernozems in Central Black Earth Region (CBER), 49:51 for ordinary chernozems in Rostov region, 54:46 for southern chernozems; 67:33 for dark chestnut soils; 70:30 for light chestnut soils.

Keywords: optimal ecological standard, water demand, soil types, crop requirements, irrigation, soil formation conditions.

В настоящее время агропромышленный комплекс, и в частности мелиорация, развивается в сложных экономических условиях. Это связано с тем, что мелиорация сама по себе затратная отрасль и должна иметь эффективную отдачу. Однако мы видим, что на орошаемых землях недополучаются заданные урожаи возделываемых культур и к тому же ухудшается экологическое состояние территорий, которое связано с развитием серьезных негативных процессов, снижающих почвенное плодородие [1-4]. почва водопотребность биологический орошение

В зарубежных странах также сталкиваются с проблемами развития процессов вторичного засоления, осолонцевания, дегумификации [5-7].

Применяемая стратегия орошаемого земледелия, направленная в первую очередь на то, чтобы взять от земли как можно больше, неизбежно ведет к снижению естественного (потенциального) плодородия почв [8]. Все делалось и делается для получения высокой урожайности возделываемых культур, в т. ч. поливы осуществлялись по требованию культуры, но для оптимизации почвенных процессов необходимы совершенно другие условия увлажнения. Учеными установлено, что реализация поливных оросительных норм, рассчитанных строго по дефициту влагозапасов по наименьшей влагоемкости (НВ), чтобы комфортно было растению, приводит к переполиву более 50 % площадей, к ухудшению аэрации почвы, разрушению структуры, накоплению токсичных веществ, вымыванию питательных элементов и т. д. [9]. На значительной части мелиорируемых земель, занимающих свыше 3,5 млн га, в настоящее время наблюдается неудовлетворительное состояние почвы. Оно вызвано следующими процессами: заболачиванием (0,8 млн га), подтоплением и затоплением (1,3 млн га), вторичным засолением и осолонцеванием (0,4 млн га) и т. д. Отсюда следует, что требуются новые подходы к размещению сельскохозяйственных мелиораций в целом и к способам предотвращения деградационных процессов в частности [10].

С ухудшением почвенно-мелиоративного состояния орошаемых земель уже и поливная вода не содействует получению планируемого урожая. Требуется снижение водной нагрузки на почвы, в связи с чем проведены эксперименты по уменьшению поливных норм на 20-40 %. В результате при снижении поливных норм до 20 % урожайность возделываемых культур уменьшалась на 7 %, а при 40 % - на 20 %, что экономически не всегда оправдывалось, а по экологическим показателям положительных результатов также достигнуто не было [11]. Но в то же время на землях с хорошим мелиоративным состоянием и на достаточно плодородных почвах и получаются высокие урожаи возделываемых культур, и сохраняется плодородие земель при расчетных оросительных нормах по биологической потребности растений [12].

При этом вековой опыт мелиорации сельскохозяйственных земель показывает, что человечество для создания оптимальных условий культурным растениям, несмотря на ограниченность водных ресурсов в зонах орошаемого земледелия, с целью получения рекордных и потенциальных урожаев постоянно повышало нормы водопотребности орошаемых земель, тем самым снижая экологическую эффективность агроландшафтных систем [8].

Отсюда стали появляться понятия не только биологической водопотребности культур, но и почвенно-мелиоративной водопотребности агроландшафтов, обеспечивающей регулирование мелиоративного режима почв, экологической водопотребности сельскохозяйственных угодий. Эти водопотребности определялись через расчеты благоприятных оросительных норм [13], экологически благоприятных оросительных норм для почв и ландшафтов [14, 15], оросительных норм, обеспечивающих мелиоративное благополучие орошаемых земель [8]. Эти экологически благоприятные оросительные нормы (ЭБОН) представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Экологически благоприятные оросительные нормы

В мм

Наиболее близкие по своим показателям ЭБОН - для лесостепной зоны. В степной зоне эти нормы более высокие в расчетах Л. И. Кирейчевой. То же самое можно отметить для сухостепной и полупустынной зон. Вероятно, это связано с различным методическим подходом к их расчетам.

Н. И. Парфенова исходила из положения, что протекание почвообразовательных процессов в основном зависит от гидротермического режима . Он характеризует баланс веществ и энергии и определяется на орошаемых землях по формуле:

, (1)

где - радиационный баланс деятельной поверхности, ккал/(см2·год);

- скрытая теплота парообразования, величина постоянная (0,6 ккал/см3, или 2,51 кДж/см2 (1 ккал = 4,19 кДж));

- годовое количество осадков, мм;

- оросительная норма, мм.

Наилучшие условия для микробиологической деятельности в почвообразовательных процессах наблюдаются при = 0,9…1,1. В предлагаемой формуле, устанавливая необходимый гидротермический коэффициент, к которому нужно стремиться, можно определить оросительную норму, сформулированную Н. И. Парфеновой как «благоприятная оросительная норма».

В работах Л. И. Кирейчевой, Н. П. Карпенко, Д. А. Манукьяна за основу взят тот же подход, но в пределах даже природных зон данные довольно разные [14, 15], а нормы сформулированы авторами как «экологическая благоприятная оросительная норма».

Безусловно, такая формулировка требует уточнения: благоприятная для растений или для почвы? Если для почв, то, на наш взгляд, ее следует назвать «экологическая норма водопотребности (увлажнения) почв» (ЭНВП).

С этих позиций более четко представлено это понятие в работе Ж. С. Мустафаева, где предлагается расчет экологической нормы водопотребности орошаемых земель [8]:

,

где - экологическая норма водопотребности орошаемых земель, мм;

, , - см. формулу (1);

- показатель гидротермического режима орошаемых земель;

- изменение почвенных влагозапасов, мм;

- влагообмен между почвенными и грунтовыми водами.

При этом для расчета экологически безопасной нормы орошения взят =1,0, при котором наблюдаются благоприятные условия формирования почвообразовательного процесса.

Ранее сотрудниками Казахского научно-исследовательского института водного хозяйства предложена формула для определения почвенно-мелиоративной нормы орошения земель [17]:

,

где - оросительная норма, обеспечивающая мелиоративное благополучие орошаемых земель, м3/га;

- оросительная норма (нетто) при благоприятных почвенно-мелиоративных условиях, м3/га;

- суммарное водопотребление, м3/га;

- коэффициент, учитывающий долю возможного использования грунтовых вод в водопотреблении сельскохозяйственных культур;

- коэффициент, учитывающий размеры допустимого участия грунтовых вод в субирригации при изменении их минерализации;

- мелиоративный коэффициент, учитывающий степень засоления и солеотдачи почв зоны аэрации.

Еще В. В. Докучаев и Г. Н. Высоцкий в своих работах подчеркивали, что в почвообразовании важную роль играет соотношение осадков и испаряемости. В. Р. Волобуев экспериментальными данными подтвердил, что, когда это соотношение, или так называемый показатель эффективного увлажнения, равно 1, в почве создаются оптимальные условия для почвообразовательного процесса [16]. Согласно этим расчетам для создания оптимальных условий почвообразования требуется дополнительно влага в виде поливов, например, на черноземах типичных Центрально-Черноземных областей (ЦЧО) всего 28 мм, а на бурых полупустынных - 424 мм (см. таблицу 1).

Цель исследований - обосновать экологические нормы водопотребности (увлажнения) различных типов почв для оптимизации мелиоративного состояния и почвенного плодородия.

Материалы и методы. Расчет ЭНВП проводился по коэффициенту благополучного экологического состояния почв и ландшафтов (Кэ), представляющему собой отношение оросительной нормы к осадкам [18]. При расчете средневзвешенных биологически оптимальных оросительных норм (БООН), удовлетворяющих потребности растений, по различным типам почв использовались укрупненные нормы водопотребности для орошения сельскохозяйственных культур основных федеральных округов [19].

Результаты и их обсуждение. Коэффициент благополучного экологического состояния почв и ландшафтов составляет в лесостепной зоне 0,1-0,2, степной - 0,3-0,5, сухостепной - 0,6-1,0, полупустынной - 1,5-2,0 [17, 18]. Отсюда оросительная норма или ежегодные ЭНВП для серых лесных почв равняются 60-63 мм, черноземов выщелоченных - 87-93 мм, черноземов типичных - 104-120 мм, черноземов обыкновенных - 150-180 мм, черноземов южных - 200-250 мм, каштановых почв - 240-320 мм, бурых полупустынных - 380-550 мм.

Для орошения сельскохозяйственных культур все же предлагаются укрупненные нормы водопотребности - это биологически оптимальные оросительные нормы (БООН), удовлетворяющие потребности растений [19]. Используя эти данные, рассчитали средневзвешенную биологическую оросительную норму по ключевым участкам различных типов почв и экологическую норму водопотребности почв для оптимизации мелиоративного состояния и почвенного плодородия (таблица 2). Из данных таблицы 2 видно, что снижением БООН на 20-40 % нельзя достичь ЭНВП. Наблюдается, как показывают опытные данные, только уменьшение урожайности возделываемых культур соответственно на 7-40 %.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 2 - Средневзвешенная биологическая оросительная норма для сельскохозяйственных культур
и экологическая норма орошения на различных типах почв

В м3/га

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чтобы не травмировать растение и получать планируемые урожаи, необходимо осуществлять поливы по биологической водопотребности возделываемых культур, т. е. применять БООН. ЭНВП показывает, в каком количестве теоретически ежегодно можно давать водную нагрузку для создания оптимальных условий почвообразования, для этого следует предусмотреть неорошаемые и орошаемые режимы. В неорошаемом режиме при возделывании высокопродуктивных засухоустойчивых культур обеспечиваются требования почв для воспроизводства своего плодородия, т. е. создаются условия, приближенные к естественным условиям почвообразования, а именно: влажность почвы находится на уровне 50-70 % НВ, температура - 20-30 °С, порозность аэрации - 20-40 %, содержание кислорода - 20 %.

В орошаемом режиме при выращивании влаголюбивых культур влажность почвы доходит до 85-95 % НВ, что способствует созданию анаэробных условий, при которых уже формируются негативные почвенные процессы [6, 9]. За ротацию севооборота, когда сочетаются влаго- и засухоустойчивые культуры, среднегодовая оросительная норма не должна превышать ЭНВП для данной зоны и почвы. Сочетание орошаемых и неорошаемых режимов возможно при циклическом виде орошения (рисунок 1) [20].

Но такой вид орошения требует обоснований соотношения орошаемых и неорошаемых режимов. Для различных типов почв это соотношение разное. Нами оно определялось следующим образом: взяв за 100 % средневзвешенную величину водопотребности возделываемых на орошении культур или БООН, устанавливаем, какой процент составляет ЭНВП. Это и есть процент орошаемого режима для данных почв. Расчеты показали, что для серых лесных почв орошаемый режим должен составлять 34 %, т. е. соотношение орошаемых и неорошаемых режимов равняется 34:66. Для других типов почв эти соотношения представлены в таблице 3.

Рисунок 1 - Схема перехода на циклический вид орошения, сочетающий орошаемый и неорошаемый режимы

Таблица 3 - Соотношение орошаемых и неорошаемых режимов
при циклическом виде орошения на различных типах почв (расчетный метод)

В нашем полевом опыте по изучению различных соотношений орошаемых и неорошаемых режимов на черноземах обыкновенных Ростовской области оптимальным соотношением для оптимизации почвенных процессов и увеличения биопродуктивности почв является 50:50 при среднегодовой оросительной норме при циклическом орошении 1750 м3/га [21]. Эта норма совпала с экологически благоприятной нормой для черноземов обыкновенных степной зоны, рассчитанной Н. И. Парфеновой, Л. В. Кирейчевой и др. Нами она обозначается как ЭНВП. Расчетные методы (см. таблицу 3) установления этих показателей практически совпали с опытными данными, а именно: при расчетном методе ЭНВП равнялась на черноземе обыкновенном Ростовской области 1700 м3/га, в опытных данных 1750 м3/га, а соотношение орошаемых и неорошаемых режимов составило соответственно 49:51 и 50:50 %.

Отсюда следует, что в орошении особенно нуждаются почвы засушливой зоны - бурые полупустынные, каштановые, южные черноземы. Водные нагрузки на почвы степной зоны, особенно черноземы, целесообразно сократить в два раза, а почвы лесостепной зоны нуждаются только в дотационных поливах, составляющих около 30 % орошения. Эти положения подтверждаются расчетами коэффициента энергоэффективности орошения, проведенными Л. В. Кирейчевой и др. для почв зонального ряда [10, 22].

Выводы

1 Для орошения сельскохозяйственных культур предлагаются укрупненные нормы водопотребности. Это биологически оптимальные оросительные нормы (БООН), удовлетворяющие потребности растений. Однако для оптимизации почвенных процессов требуется создание условий, приближенных к естественным, что возможно при установлении экологической нормы водопотребности почв (ЭНВП).

2 Коэффициент благополучного экологического состояния почв и ландшафтов составляет в лесостепной зоне 0,1-0,2, степной - 0,3-0,5, сухостепной - 0,6-1,0, полупустынной - 1,5-2,0. Отсюда оросительная норма, или ежегодные ЭНВП, для серых лесных почв равняется 60-63 мм, черноземов выщелоченных - 87-93 мм, черноземов типичных - 104-120 мм, черноземов обыкновенных - 150-180 мм, черноземов южных - 200-250 мм, каштановых почв - 240-320 мм, бурых полупустынных - 380-550 мм.

3 Чтобы не травмировать растения и получать планируемую (проектную) урожайность, необходимо осуществлять поливы. БООН и ЭНВП показывают, в каком количестве теоретически ежегодно можно давать водные нагрузки для создания периодических естественных условий почвообразования, применяя в севообороте орошаемые и неорошаемые режимы. В орошаемом режиме выращиваются влаголюбивые культуры с БООН, а в неорошаемом - засухоустойчивые, возделываемые без орошения. В целом за ротацию севооборота БООН должны быть равны ЭНВП.

4 Соотношение орошаемых и неорошаемых режимов в процентах составляет для серых лесных почв 34:66, черноземов типичных - 37:63, черноземов обыкновенных ЦЧО - 41:59, черноземов обыкновенных Ростовской области - 49:51, черноземов южных - 54:46, темно-каштановых - 67:33, светло-каштановых почв - 70:30.

Список использованных источников

1 Андреев, Г. И. Экологическое состояние орошаемых почв на Нижнем Дону: монография / Г. И. Андреев, Г. А. Козлечков, А. Г. Андреев. - Днепропетровск, 2007. - 262 с.

2 Панов, Н. П. Почвенные процессы в орошаемых черноземах и каштановых почвах и пути предотвращения их деградации / Н. П. Панов, В. Г. Мамонтов. - М.: Россельхозакадемия, 2001. - 253 с.

3 Комиссаров, А. В. Влияние длительного орошения на свойства чернозема выщелоченного в Южном Предуралье / А. В. Комиссаров // Земледелие. - 2015. - № 2. - С. 5-9.

4 Зайдельман, Ф. Р. Защита почв от деградации / Ф. Р. Зайдельман // Вестник Российской академии наук. - 2008. - № 8. - С. 693-703.

5 Mateo-Sagasta, J. Agriculture and water quality interactions: a global overview. SOLAW Background Thematic Report - TR08 [Electronic resource] / J. Mateo-Sagasta, J. Burke. - Mode of access: http:fao.org/fileadmin/templates/solaw/files/thematic_reports/
TR_08.pdf, 2017.

6 Water quality for agriculture [Electronic resource]. - Mode of access: http:fao.org/docrep/003/t0234e/t0234e05.htm, 2017.

7 Heenan, D. P. Long-term impact of rotation, tillage and stubble management on the loss of soil organic carbon and nitrogen from a Chromic Luvisol / D. P. Heenan. K. Y. Chan, P. G. Knight // Soil Tillage Res. - 2004. - Vol. 76. - P. 59-68.

8 Основные принципы нормирования водопотребности агроландшафтов [Электронный ресурс] / Ж. С. Мустафаев [и др.]. - Режим доступа: http:cawater-info.not/lib-rary/rus/mustafaev-et-all.pdf, 2016.

9 Сенчуков, Г. А. Ландшафтно-экологические и организационно-хозяйственные аспекты обоснования водных мелиораций / Г. А. Сенчуков. - Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001. - 276 с.

10 Кирейчева, Л. В. Подходы к обоснованию размещения сельскохозяйственных мелиораций / Л. В. Кирейчева // Мелиорация и водное хозяйство. - 2017. - № 4. - С. 11-15.

11 Ильинская, И. Н. Нормирование водопотребности для орошения сельскохозяйственных культур на Северном Кавказе / И. Н. Ильинская; РосНИИПМ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. - 164 с.

12 Скуратов, Н. С. Использование и охрана черноземов / Н. С. Скуратов, Л. М. Докучаева, О. Ю. Шалашова. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2000. - 246 с.

13 Парфенова, Н. И. Энергетические основы формирования плодородия почв / Н. И. Парфенова // Вопросы мелиорации. - 2002. - № 2. - С. 64-70.

14 Кирейчева, Л. И. Оценка эффективности оросительных мелиораций в зональном ряду почв / Л. В. Кирейчева, Н. П. Карпенко // Почвоведение. - 2015. - № 5. - С. 587-596.

15 Манукьян, Д. А. Оценка экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем с использованием термодинамических показателей / Д. А. Манукьян, Н. П. Карпенко // Природообустройство. - 2008. - № 2. - С. 45-50.

16 Волобуев, В. Р. Введение в энергетику почвообразования / В. Р. Волобуев. - М.: Наука, 1974. - 130 с.

17 Оросительные нормы сельскохозяйственных культур в Казахстане / Казгипроводхоз. - Джамбул, 1981. - 78 с.

18 Седых, В. А. Почвенно-экологический мониторинг / В. А. Седых, В. И. Савич, П. Н. Балабко. - М.: Изд-во ВНИИА, 2013. - 584 с.

19 СТО. Укрупненные нормы водопотребности для орошения сельскохозяйственных культур Центрального, Приволжского, Уральского, Сибирского, Южного и Северо-Кавказского федеральных округов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:mcx-dm.ru/sites/all/files/normi_vodopotrebnosti.pdf, 2013.

20 Щедрин, В. Н. Теория и практика альтернативных видов орошения черноземов юга Европейской территории России: монография / В. Н. Щедрин, С. М. Васильев. - Новочеркасск: Лик, 2011. - 435 с.

21 Андреева, Т. П. Экономическая эффективность возделывания сельскохозяйственных культур при снижении искусственной водной нагрузки / Т. П. Андреева, Л. М. Докучаева, Э. Н. Стратинская // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. - 2010. - Вып. 43. - С. 185-189.

22 Кирейчева, Л. В. Научные основы создания и управления мелиоративными системами в России / Л. В. Кирейчева, И. Ф. Юрченко, В. М. Яшин. - М.: ВНИИ агрохимии, 2017. - 296 с.

Размещено на Allbest.ru