Методологическая база эколого-мелиоративного мониторинга агроландшафтных систем на орошаемых землях

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТарГУ им М.Х. Дулати

Методологическая база эколого-мелиоративного мониторинга агроландшафтных систем на орошаемых землях

Козыкеева А.Т., Сатыбаева Р.Б.

Обеспечение сохранения благоприятных условий окружающей среды при ведении любой деятельности человека является самой насущной задачей системы природопользования. По мнению Н.И. Моисеева [1] на рубеже ХХ-ХХI веков наступил 3 этап взаимодействия человека и природы, на котором антропогенные воздействия приобрели глобальный характер (1 этап - человек часть природы, протекал от появления человека как вида до неолитической революции 5-7 тыс. лет до н. э., 2 этап - локальное преобразование природы).

Особенно важно добиться рационального природопользования в области мелиорации. Важно отметить, что негативные экологические и социально-экономические последствия возникают как при научно необоснованном массированном орошении (вопиющий пример - гибель Аральского моря в конце 80-ых годов прошлого века), так и при недостаточном внимании к природным и техногенным объектам мелиоративных систем. мониторинг мелиорированный земля аридный

Таким образом, поддержание в работоспособном состоянии объектов мелиоративных систем, наблюдение за ними, создание и восстановление линий связи, то есть организация мониторинга мелиорированных земель есть задача не только сохранения экологического состояния окружающей среды, но и обеспечения безопасности государства и общества.

В связи с этим, важной практической и научной задачей является разработка концепции создания системы мониторинга мелиорированных земель для аридной зоны, в которой необходимо для обеспечение эколого-мелиоративной устойчивости агроландшафтов.

Основная цель комплексной мелиорации - создание высокопродуктивного и экологически устойчивого агроландшафта. Управление мелиорацией предполагает создание и поддерживание такого режима в природном объекте, который бы в течение всего периода функционирования мелиоративных систем обеспечивал заданный уровень продуктивности сельскохозяйственных культур, расширенное воспроизводство почвенного плодородия и экологическую устойчивость агроландшафта.

Однако отсутствие основных критериев, ограничивающих мелиоративную деятельность: почвенно-мелиоративные показатели (содержание гумуса в почве, степень засоления почвы, глубина залегания грунтовых вод и т.д.); степень преобразования ландшафта; соотношение различных угодий, их расположение в пределах морфологических частей; удельный вес гидромелиорации в общем мелиоративном комплексе, для создания информационных технологий, требует разработки системы математических моделей расчетного мониторинга агроландшафтов, позволяющих принятие управленческих решений [2].

При выборе мелиоративных мероприятий рекомендуется учитывать влияние каждого вида мелиорации на продуктивность и коэффициент устойчивости. Проведенный нами анализ параметров, определяющих величину продуктивности и коэффициента экологической устойчивости, показал, что действие различных видов мелиорации направлено в основном либо на повышение объема продукции сельскохозяйственных культур, либо на увеличение коэффициента экологической устойчивости [3].

Основная задача экологических исследований агроландшафтных систем состоит в накоплении, систематизации и анализе информации о количественном характере взаимоотношений между живыми организмами и средой их обитания с целью получения следующих результатов [4]:

- оценка качества изучаемых экосистем (в конечном итоге с точки зрения возможности их использования человеком);

- выявление причин наблюдаемых и вероятных структурно-функциональных изменений биотических компонентов и адресная индикация источников и факторов негативного внешнего воздействия;

- прогноз устойчивости экосистем и допустимости изменений и нагрузок на среду в целом;

- оценка существующих резервов биосферы и тенденций в их исчерпании (накоплении).

Способ познания направленности и интенсивности природного процесса в условиях антропогенной деятельности, основанный на относительно длительном целенаправленном и планомерном восприятии предметов и явлений окружающей действительности, издавна применялся в различных видах научной и практической деятельности человека. Блестящие образцы организации наблюдений за природной средой описаны еще в первом веке нашей эры в «Естественной истории» Гая Секунда Плиния (старшего). Тридцать семь томов, содержавших сведения по астрономии, физике, географии, зоологии, ботанике, сельскому хозяйству, медицине, истории, служили наиболее полной энциклопедией знаний до эпохи средневековья.

Термин «мониторинг» появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972 году. Под мониторингом было решено понимать систему непрерывного наблюдения, измерения и оценки состояния окружающей среды. По мнению российского исследователя-географа И.П. Герасимова [5] объектом общего мониторинга «является многокомпонентная совокупность природных явлений, подверженная многообразным естественным динамическим изменениям и испытывающая разнообразные воздействия и преобразования ее человеком».

Мониторинг окружающей среды - комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить изменения их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности. С самого начала в трактовке мониторинга проявились две точки зрения. Многие зарубежные исследователи предлагали осуществлять систему непрерывных наблюдений одного или нескольких компонентов окружающей среды с заданной целью и по специально разработанной программе. Другая точка зрения [6] предлагала понимать под мониторингом только такую систему наблюдений, которая позволяет выделить частные изменения состояния биосферы, происходящие только под влиянием антропогенной деятельности, то есть мониторинг антропогенных изменений окружающей природной среды.

В процессе мониторинга предполагается последовательная реализация двух задач:

- обеспечивается постоянная оценка «комфортности» условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов), а также оценка состояния и функциональной целостности экосистем;

- создаются условия для определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые показатели критериев оценки качества среды не достигаются.

По своему структурно-функциональному составу мониторинг окружающей среды объединяет в себе все необходимые компоненты: систему организации измерений и совокупность методик анализа результатов наблюдений, необходимые для реализации функций, представленных в таблице 1.

Таблица 1

Функции мониторинга состояния окружающей среды [7]

Начиная с середины ХХ века масштабы и сила воздействия антропогенной деятельности в результате мелиорации сельскохозяйственных земель настолько возросли, что обусловленные ими изменения экологических условий природной системы и в том числе ландшафтов, достигали глобального уровня. Сюда относятся изменение климата, истощение и ухудшение водных и земельных ресурсов, деградация почвенного покрова, потери устойчивости и стабильности агроландшафтов. Значительные нагрузки на почвенный покров геосистем привели к трансформации естественных почвенных процессов и, как ответной реакции, ее деградации, то есть изменилось направление почвообразовательного процесса от сероземного к сероземно-луговому, луговому, лугово-болотному.

Деградационные изменения привели к нарушению эволюции геосистем и в ряде случаев потере ресурсо- и средовоспроизводящей функции ландшафтов. Это вызвано, с одной стороны изменением качества и внутренней структуры ландшафта и его деградацией, с другой - несоответствием технологических воздействий на природной объект в связи с моральным и физическим старением технологических систем, устройства механизмов и технологии, а также неадвекатности учета последствий, возникающих в освоенном ландшафте, и это в наибольшей степени относятся к мелиорируемым агроландшафтам.

Мелиоративное освоение при сохранении сбалансированности тепла и влаги агроландшафтов обеспечивает смягчение неблагоприятных природных явлений на мелиорируемых агроландшафтах путем формирования его новой структуры и функциональных свойств. Таким образом, при соблюдении принципа природопользования, осуществляется природоохранное и природовосстанавливающее действие мелиорации сельскохозяйственных земель. При этом создание требуемого мелиоративного режима в природном объекте обеспечивает поддержание заданной биопродуктивности агроландшафта, сохранение плодородия почвенного покрова и экологическую устойчивость агрогеосистемы.

Для оценки деятельности мелиорации сельскохозяйственных земель необходимы интегральные показатели, то есть система математических моделей расчетного мониторинга агроландшафтов, которые характеризовали бы изменения отдельных компонентов ландшафта и связь между ними. Система математических моделей расчетного мониторинга агроландшафтов должна отражать влияние мелиоративной деятельности на изменение природно-ресурсного потенциала геосистемы. Любая антропогенная деятельность, в том числе и мелиоративная, может трактоваться как изменение в ту или иную сторону материального и энергетического баланса ландшафта, связанного с дополнительным поступлением или отчуждением вещества и энергии, которые виляют на формирование почвенно-экологических, гидрогеологических, мелиоративных, почвенно-энергетических и экологических условий агроландшафтов [8-9].

Мелиорация сельскохозяйственных земель проводится в целях роста плодородия почв, повышения продуктивности и устойчивости земледелия, создания гарантированного продовольственного фонда. Мировой и отечественный опыт свидетельствует о том, что степень развития мелиорации земель является важнейшим показателем технического уровня и возможностей сельского хозяйства в решении продовольственной проблемы.

Это вызвало необходимость оценки направленности изменения природных процессов в результате орошения и прогнозирования мелиоративного, гидрогеологического и гидрогеохимического режимов на орошаемых массивах. Для оценки интенсивности и направленности биологического и геологического круговоротов воды и химических веществ в условиях антропогенной деятельности, то есть при мелиорации сельскохозяйственных земель, можно использовать следующие интегральные критерии:

- параметр роста биологического кругооборота - , где - относительная продуктивность естественных растений, то есть , здесь - продуктивность естественных растений немелиорированных земель, соответствующих влаго и теплообеспеченности географических зон и ландшафтов, ц/га; - потенциальная продуктивность растений или сельскохозяйственных культур, соответствующих энергетическим ресурсам географических зон или ландшафтов, ц/га; , здесь - урожайность сельскохозяйственных культур на мелиорируемых землях, ц/га;

- параметры роста интенсивности геологического кругооборота воды определяется по зависимости: /, где и - поверхностный сток и влагообмен между почвенными и грунтовыми водами на немелиорированных и мелиорируемых землях, м³/га;

- параметры роста интенсивности геологического кругооборота химических веществ рассчитаны по формуле: , где - минерализация оросительных вод, г/л; - концентрация почвенного раствора, г/л; - предельно-допустимая концентрация почвенного раствора, неоказывающая влияние на рост и развитие сельскохозяйственных культур.

Вмешательство человека в естественные природные процессы для корректировки их режима в соответствие с потребностью или режимом возделывания сельскохозяйственных культур всегда нарушают исторически сложившиеся взаимоотношения в природной среде.Поэтому особенно актуальными становится вопросы прогнозирования изменения почвенно-мелиоративной обстановки орошаемых земель и определения направленности почвообразовательного процесса в связи со сложившейся экологической обстановкой.

Растительные и животные организмы, живущие на почве и в почве, находятся под непрерывным влиянием солнечной радиации (). Приток световой и тепловой энергии на поверхность почвы варьирует в зависимости от географического положения местности, характера рельефа и особенности растительного покрова. Солнечный свет, проходящий атмосферу и достигающий биосферы и почвы, является главным источником энергии для жизни, а, следовательно, и для почвообразования.

Однако, почвообразующий и биологический эффект тепла и света поступающий от Солнца на земную поверхность может проявиться лишь в том случае, если местность и растительность обеспечены достаточным количеством влаги. Суммарный эффект совместного влияния осадков и температуры на почвообразование очень сложен. Многое зависит от сочетания гидротермических условий и почвенно-геохимической обстановки местности и особенно от соотношения приходных и расходных статей в балансе веществ, вовлеченных в почвообразовательный процесс.

В качестве интегральных показателей, учитывающих перечисленные факторы, целесообразно использовать «индекс сухости» М.И. Будыко [10], характеризующий гидротермический режим ландшафтов: , где - радиационный баланс, кДж/см²) и водный баланс () - где - скрытая теплота парообразования, кДж/см³ в год; - атмосферные осадки, мм) природной системы.

«Индекс сухости» не только характеризует гидротермический режим ландшафтов, но и является одним из основных средообразующих факторов, определяющих связь климатических условий практически со всеми природными элементами системы, то есть растительностью, почвой и подземными водами. Кроме того, он учитывает влияние хозяйственной деятельности на величину + (где - дополнительное поступления воды в результате осуществления комплексной мелиорации, мм) и при мелиорации сельскохозяйственных земель.

При этом снижение количественных значений гидротермического режима естественных ландшафтов за счет орошения или путем трансформации агроландшафтов, то есть доведения «индекса сухости» - до 1,0 применением орошения - (где - «индекс сухости»; - радиационный баланс, определяющий приток солнечной энергии и количество фотосинтетически активной радиации, кДж/см² за год; - скрытая теплота парообразования, кДж/см² за год; - атмосферные осадки, мм; - количество влаги, полученное за счет применения гидротехнических мелиорации, мм; - влагообмен между почвенными и грунтовыми водами (мм), благоприятно оказывает влияние на почвообразовательный процесс в условиях близкого залегания пресных грунтовых вод, а в условиях орошения, когда интенсивность инфильтрационных вод увеличивается, как в настоящее время происходит в зоне орошения во многих регионах, нарушается эволюция почвообразовательного процесса, то есть, как в гумидных зонах, в аридных зонах формируются болота или происходит болотообразовательный процесс, что недопустимо с точки зрения регулирования и управления геологическими круговоротами воды и химических веществ.

Важным свойством «индекса сухости» () является его тесная связь с основными свойствами зональных почв, почвенно-биологическими, гидрогеологическими, гидрогеохимическими процессами и с антропогенной деятельностью [11].

Таким образом, если в результате мелиорации сельскохозяйственных земель изменяется гидротермический режим () в пределах ландшафта, то по этим изменениям можно судить о направленности и интенсивности природных процессов, изменении состояния отдельных компонентов и ландшафта в целом: , где - гидротермический коэффициент в условиях мелиорации; - радиационный баланс, измененный в результате мелиорации, кДж/см²; - влагообмен между почвенными и грунтовыми водами, мм.

Оптимизация любых природных процессов связана с назначением граничных условий, то есть назначения уровня регулирования водного режима почв, так как тепловой режим агроклиматических зон практически относиться к неуправляемым факторам, к которому приспосабливается агроландшафт. Таким образом, при мелиорации сельскохозяйственных земель, приспособление к тепловому режиму орошаемых земель осуществляется путем регулирования и управления водного режима почв, то есть требуется необходимость использования оросительных или осушительных мелиораций, которые обеспечивают в природе следующие условия [12]:

- при орошении: ;

- при осушении: .

Если рассматривать деятельность мелиорации сельскохозяйственных земель с такой позиции, тогда можно констатировать, что любые гидротехнические и агротехнические мероприятия направлены на создание следующего условия , которое находиться в пределах саморегулирования природного процесса в условиях антропогенной деятельности или нагрузки.

Анализ формирования почвообразовательного процесса в природных условиях с гидротермическими режимами от до свидетельствует о формировании различных родов почв внутри типа или подтипа почв, то есть, от черноземно-сероземных почв до лугово-болотных почв. Эта эволюционная закономерность, которая происходит в природе, наталкивает на мысль о целесообразности ее использования при создании моделей расчетного мониторинга агроландшафтов, то есть для качественной оценки направленности почвообразовательного процесса в результате антропогенной деятельности.

Литература

1. Моисеев Н.Н. О методологии математического моделирования процессов сельскохозяйственного производства // Вестник с- х. науки, 1984. №1. С. 14-20.

2. Голованов А.И., Шабанов В.В. Система математических моделей расчетного мониторинга мелиорируемых земель // Мелиорация и водное хозяйство, 2004. №4. С. 46-48.

3. Мустафаев Ж.С., Рябцев А.Д., Адильбектеги Г.А. Методологические основы оценки устойчивости и стабильности ландшафтов. Тараз, 2007. 216 с.

4. Козыкеева А.Т., Сатыбаева Р.Б. Информационные базы почвенно-мелиоративного мониторинга орошаемых земель //Материалы республиканской научно-практической конференции магистрантов, докторантов и преподавателей на тему «Наука и современность-2013», посвященной реализации Послания Президента РК народу Казахстана «Стратегия «Казахстан-2013»- новый политический курс состоявшегося государства». Тараз, 2013. C. 271-274.

5. Герасимов И.П. Экологические проблемы в прошлой, настоящей и будущей географии мира. М.: 1985. 320 с.

6. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат, 1986. 560 с.

7. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука, 1980. 116 с.

8. Мустафаев Ж.С., Рябцев А.Д., Сагаев А.А., Султанова Г., Адильбектеги Г.А. Система математических моделей расчетного мониторинга ландшафтов для бассейна рек // Поиск, 2005. №2. 158-163.

9. Мустафаев Ж.С., Рябцев А.Д., Сагаев А.А., Султанова Г., Адильбектеги Г.А., Мустафаев К.Ж. Обоснование и выбор системы математических моделей расчетного мониторинга природно-технической системы // Гидрометорология и экология, 2005. №2. С. 189-200.

10. Будыко М.И. Глобальная экология. М.: Мысль, 1977. 327 с.

11. Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т., Умирзаков С.И. Методологические основы ландшафтно- экологического районирования природной системы // Гидрометорология и экология, 2000. № 3-4. С. 146-159.

12. Мустафаев Ж.С. Методологические и экологические принципы мелиорации сельскохозяйственных земель. Тараз, 2004. 306 с.

Размещено на Allbest.ru