Обоснование водных мелиораций агроландшафтов (на примере Московской области)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Специальность 06.01.02 - мелиорация, рекультивация и охрана земель

Обоснование водных мелиораций агроландшафтов (на примере Московской области)

Сухарев Юрий Иванович

Москва 2010

Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

Официальные оппоненты:

академик РАСХН, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Ковалев Николай Георгиевич (Государственное научно-исследовательское учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного использования мелиорированных земель»)

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Шуравилин Анатолий Васильевич (Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский университет дружбы народов»)

доктор технических наук, профессор Никитенков Борис Федорович (Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»)

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова». Защита состоится ______________ 2010 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 при ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства».

Автореферат разослан ________________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Сурикова Т.И.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В соответствие с концепцией перехода Российской Федерации к устойчивому развитию и в целях реализации Федерального закона «О развитии сельского хозяйства» в нашей стране последовательно осуществляется выполнение государственной программы развития сельского хозяйства, федеральных целевых программ по устойчивому развитию сельских территорий, сохранению и восстановлению плодородия почв агроландшафтов, повышению продовольственной безопасности страны, сбалансированному решению социально-экономических задач и проблем сохранения благоприятной окружающей среды и природно-ресурсного потенциала в интересах настоящего и будущих поколений.

Мероприятия по поддержанию почвенного плодородия реализуются в рамках федеральной целевой программы «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 годы» с дальнейшим продолжением программных мероприятий до 2012 года включительно. Сельское хозяйство относится к отраслям, зависящим в значительной степени от климатических условий, что оказывают сильное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур и на объемы их производства. Поэтому программой предусматривается выделение государственных инвестиций на строительство, реконструкцию и восстановление мелиоративных систем.

Решение проблем, связанных с устойчивым развитием и оптимизацией сельскохозяйственного производства может быть достигнуто только на основе геосистемного, ландшафтного подхода к вопросам обоснования систем земледелия и мелиорации агроландшафтов.

Теоретическое обоснование необходимости и интенсивности мелиорации земель в настоящее время базируется, преимущественно, на изучении водного и связанных с ним режимов почв на основе балансовых, нульмерных или одномерных математических моделей массопереноса, в пределах локальных участков, без достаточной изученности пространственных закономерностей формирования этих режимов в элементарных ландшафтах (фациях) и их сопряженных рядах - ландшафтно-геохимических катенах.

В соответствии с современными требованиями, мелиоративные мероприятия должны рассчитываться и проектироваться с учетом ландшафтных границ и ландшафтных особенностей конкретной территории; мелиоративные режимы должны обосновываться с учетом особенностей функционирования природных и антропогенных ландшафтов; необходим наиболее полный учет свойств и состояний элементов и компонентов агроландшафтов.

Использование геосистемного, ландшафтного подхода при обосновании необходимости и интенсивности мелиоративных мероприятий на территории агроландшафтов позволяет рассматривать все природные компоненты в их неразрывности и взаимосвязи и является актуальной проблемой и актуальным направлением исследований.

Вопросы устойчивого сельскохозяйственного производства, оптимизации природных ландшафтов и агроландшафтов особенно актуальны для центра европейской части территории России, где сконцентрированы основной промышленно-экономический потенциал страны, ее научные, культурные и образовательные структуры.

Цель исследований. Цель работы заключается в разработке методологии научного обоснования, на основе ландшафтного, катенарного подхода необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошение, осушение) агроландшафтов, обеспечивающих высокую продуктивность сельскохозяйственных культур, с учетом влияния на природную среду, и применении ее в условиях Московской области; в создании имитационной системы моделирования в виде комплекса компьютерных программ, позволяющей моделировать процесс передвижения влаги в элементарных ландшафтах (фациях) ландшафтных катен и рассчитывать значения составляющих водного баланса элементарных ландшафтов.

Задачи исследований:

1. Анализ природных условий рассматриваемого региона с использованием ландшафтно-географического подхода, определение численных значений климатического дефицита увлажнения за теплый период года и вероятности их превышения (обеспеченности) по данным метеостанций региона за представительный ряд лет.

2. Разработка методики построения расчетных схем ландшафтных катен для моделирования водного режима мелиорируемых агроландшафтов.

3. Разработка двумерной математической модели передвижения влаги в почвах и грунтах ландшафтных катен, позволяющей рассчитывать значения составляющих водного баланса в сопряженных элементарных ландшафтах.

4. Проверка двумерной математической модели передвижения влаги в почвах и грунтах сопряженных элементарных ландшафтов результатами экспериментальных исследований.

5. Разработка методики расчета значений составляющих водного баланса в сопряженных элементарных ландшафтах (супераквальном, трансаккумулятивном, трансэлювиальном, элювиальном) ландшафтных катен. водный мелиорация климатический агроландшафт

6. Разработка методики расчета водообмена (промываемости) почвенного слоя и нижележащих горизонтов ландшафтных катен.

7. Разработка методики обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошения, осушения) агроландшафтов, обеспечивающих высокую продуктивность сельскохозяйственных культур.

8. Проведение численных экспериментов с использованием разработанной математической модели для определения влияния мелиоративных мероприятий (орошения, осушения) на составляющие водного баланса элементарных ландшафтов расчетных ландшафтных катен.

Методология и методика исследований. Общей методологией исследований является материалистическая теория научного познания, которая основой познания и критерием истины признает общественно-историческую практику, обобщает методы и приемы науки (эксперимент, моделирование, анализ и синтез).

Методологической основой исследований является системный подход, который является направлением общей методологии научного познания, и в основе которого лежит рассмотрение изучаемых объектов как систем.

В исследованиях использовались специальные методы научного познания: ландшафтный подход, современные методы физической географии, математическое моделирование процесса передвижения влаги в почвах, численный эксперимент, теоретическое обобщение и анализ. Использовались также современные геоинформационные технологии.

Научная новизна работы заключается в применении ландшафтного, катенарного подхода к решению проблемы обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций агроландшафтов, разработке методики расчета передвижения влаги в почвах и грунтах сопряженных элементарных ландшафтов (супераквальном, трансаккумулятивном, трансэлювиальном, элювиальном) ландшафтных катен на основе двумерной математической модели нестационарного влагопереноса в почвах.

Предложена новая методология изучения мелиоративных воздействий на агроландшафты, заключающаяся в комплексном рассмотрении взаимосвязанных потоками вещества, а также единством происхождения сопряженных элементарных ландшафтов, позволяющая изучить взаимное их функционирование. Это повышает обоснованность проектных решений, в том числе и их экологическую допустимость, дает методическую основу для постановки исследований мелиорируемых агроландшафтов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований получены новые научно-методические и практические результаты, выносимые на защиту:

1. Методология обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошения, осушения) агроландшафтов на основе ландшафтного, катенарного подхода.

2. Геоморфологическая схематизация ландшафтных катен в условиях Московской области.

3. Новая методика расчета водного режима сопряженных элементарных ландшафтов (супераквального, трансаккумулятивного, трансэлювиального, элювиального) ландшафтных катен на основе двумерной математической модели нестационарного влагопереноса в почвах и подстилающих грунтах.

4. Новая методика обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошения, осушения) агроландшафтов с учетом взаимодействия сопряженных элементарных ландшафтов ландшафтных катен.

5. Новая методика расчета составляющих водного баланса сопряженных элементарных ландшафтов ландшафтных катен.

6. Новая методика расчета водообмена (промываемости) почвенного слоя и ниже лежащих горизонтов.

Практическая ценность и значимость работы. Ценность для практики заключается в:

1. Создании математического инструментария в виде комплекса компьютерных программ, позволяющего моделировать процесс передвижения влаги в элементарных ландшафтах (супераквальном, трансаккумулятивном, трансэлювиальном, элювиальном) ландшафтных катен и рассчитывать водный режим и составляющие водного баланса (эффективные атмосферные осадки, фактическая эвапотранспирация, отток влаги из элементарного ландшафта, приток влаги в элементарный ландшафт, отток воды в водный объект, сток в дренаж, оросительная норма, изменение влагозапасов), в условиях естественного климатического увлажнения и с учетом мелиоративных мероприятий (орошения, осушения).

2. Разработке методики расчета водообмена между почвенным слоем и нижележащими горизонтами в элементарных ландшафтах, что позволяет определять промываемость почвенного слоя, которая является одним из важных показателей устойчивости агроландшафтов.

3. Определении расчетных значений дефицита водного баланса и вероятности их превышения за теплый период по данным метеостанций московского региона.

4. Разработке новой методики обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошения, осушения) с учетом взаимодействия сопряженных элементарных ландшафтов ландшафтных катен.

5. Результатах численных экспериментов по определению составляющих водного баланса и промываемости почвенного слоя сопряженных элементарных ландшафтов расчетных ландшафтных катен Московской области.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов и основных выводов подтверждается большим объемом экспериментального и теоретического материала, обобщенного и проанализированного автором в работе; апробированными исходными положениями и математическими методами, принятыми в теоретических исследованиях, а также хорошей сходимостью результатов, полученных численным путем, с экспериментальными данными.

Реализация работы. Разработанные подходы и методики предназначены для использования их при проектировании и эксплуатации гидромелиоративных систем, а также для применения в научно-исследовательской и педагогической деятельности.

Результаты исследований вошли в пособие к СНиП 2.06.03-85 «Проектирование осушительных систем на слабопроницаемых грунтах» (Союзводпроект, М., 1990). Материалы исследований вошли в учебники для ВУЗов: «Ландшафтоведение» (М.: КолосС, 2005), «Природообустройство» (М.: КолосС, 2008), допущенные Министерством сельского хозяйства РФ в качестве учебников для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Природообустройство» и «Водные ресурсы и водопользование». За написание учебника для ВУЗов «Ландшафтоведение» (КолосС, М., 2005) диссертанту в составе авторского коллектива был присужден диплом I степени на Всероссийском конкурсе «Аграрная учебная книга - 2005».

Результаты исследований были учтены при составлении примерных учебных программ дисциплин «Мелиорация земель», «Природно-техногенные комплексы», утвержденных и рекомендованных Министерством образования и науки Российской Федерации для подготовки дипломированных специалистов по направлению «Природообустройство».

Результаты работы были использованы в учебном процессе ФГОУ ВПО МГУП на этапе дипломного проектирования при подготовке дипломированных специалистов по направлению «Природообустройство», специальности «Мелиорация, рекультивация и охрана земель».

Разработанная методика расчета водного режима почв и подстилающих грунтов с учетом рельефа земной поверхности была использована научно-производственной корпорацией «Проектводстрой» при подготовке проектной документации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и одобрены на научно-технической конференции СевНИИГиМ (г. Ленинград, 1987 г.), научно-технических конференциях МГУП (г. Москва, 1991, 1997 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России» (г. Москва, 2004 г.), Межрегиональной конференции Международного Конгресса по ирригации и дренажу (МКИД) «Производство продовольствия и вода: социально-экономические проблемы ирригации и дренажа» (г. Москва, 2004 г.), Международной научно-практической конференции «Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России» (г. Москва, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» (г. Москва, 2006 г.), XI Международной ландшафтной конференции «Ландшафтоведение: теория, методы, региональные исследования, практика» (г. Москва, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов» (г. Москва, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Нанобиотехнологии в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России» (г. Москва, 2009 г.), Международной ежегодной научно-практической конференции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (г. Москва, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы сельского и водного хозяйства» (г. Москва, 2010 г.), а также на заседании Научного Совета РАСХН по агроландшафтам и адаптивно-ландшафтному земледелию (г. Москва, 2010 г.).

Разработки по теме диссертации демонстрировались на выставках «Наука на службе мелиорации» (г. Москва, 1987, 1988 гг.), удостоены серебряной медали ВДНХ СССР (1987 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ, в том числе 11 работ в изданиях согласно Перечню ВАК РФ.

Личный вклад автора в решение проблемы. В диссертации представлены результаты самостоятельных многолетних исследований автора в области обоснования водных мелиораций агроландшафтов, выполненных автором в Московском государственном университете природообустройства (ФГОУ ВПО МГУП).

Постановка проблемы и задач исследований, их решение теоретическими и экспериментальными методами, теоретические и экспериментальные исследования, анализ и обобщение полученных результатов и формулировка окончательных выводов выполнены лично автором.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Общий объем текста диссертации составляет 330 страниц.

Автор выражает свою искреннюю признательность и благодарность всем сотрудникам кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП, а также ученым и специалистам, оказавшим ему поддержку и помощь на этапах выполнения и апробации диссертационной работы. Особую благодарность за научные консультации автор выражает заведующему кафедрой мелиорации и рекультивации земель МГУП, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Голованову А.И.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Ландшафты и мелиорация земель

В первой главе представлены методологические аспекты геосистемного, ландшафтного подхода к исследованиям водного и связанных с ним режимов почв и подстилающих грунтов при мелиорации земель.

Научная теория оптимизации человеческого воздействия на природу была выдвинута В.И. Вернадским и развита его последователями в концепции ландшафтного подхода, как одного из важнейших направлений физической географии. Становление и развитие ландшафтоведения как науки неразрывно связано с именами выдающихся ученых: А. Гумбольдта, К. Риттера, В.В. Докучаева. В.В. Докучаев в своих трудах сформулировал основные идеи и принципы, которые позднее стали основополагающими положениями ландшафтоведения. Главными из этих принципов являются следующие: анализ компонентов природы, как единого целого; изучение не только естественной, но и антропогенной эволюции природы; исследование как природных, так и природно-хозяйственных комплексов; естественноисторическое обоснование системы мероприятий по созданию культурных ландшафтов.

В дальнейшем изучение физико-географических комплексов разного ранга и теоретические основы ландшафтоведения получили развитие в трудах Р.И. Аболина, Л.С. Берга, А.А. Борзова, Г.Н. Высоцкого, С.В. Калесника, Г.Ф. Морозова, С.С. Неуструева, Б.Б. Полынова, Л.Г. Раменского, В.Н. Сукачева и других исследователей.

Большое значение для теории и практики географических и ландшафтных исследований имеют труды М.В. Андриишина, Г.Н. Анненской, В.С. Аношко, Д.Л. Арманда, М.А. Глазовской, К.Н. Дьяконова, Г.В. Добровольского, В.К. Жучковой, Ф.Р. Зайдельмана, А.Г. Исаченко, Н.С. Касимова, Н.Е. Кошелевой, И.И. Мамай, Ф.Н. Милькова, В.Б. Михно, В.А. Николаева, А.И. Перельмана, Н.Ф. Реймерса, Н.А. Солнцева, В.Б. Сочавы, В.В. Сысуева, И.С. Урусевской, В.М. Чупахина, С.А. Шобы, А.М. Шульгина и других ученых, в которых рассмотрены вопросы свойств, морфологической структуры и классификации ландшафтов, пространственно-временного анализа состояния компонентов ландшафтов, моделирования природных процессов, происходящих в ландшафтах.

Учение о природных территориальных комплексах имеет большое практическое значение для сельского хозяйства и мелиорации земель. Ландшафтный подход в природообустройстве и мелиорации земель развивали в своих работах С.Ф. Аверьянов, И.П. Айдаров, Н.В. Арефьев, В.В. Бородычев, А.Д. Брудастов, В.П. Василенков, В.В. Ведерников, А.И. Голованов, Д.П. Гостищев, М.С. Григоров, К.В. Губер, А.Д. Гумбаров, Ю.П. Добрачев, Н.Н. Дубенок, А.М. Зейлигер, Д.А. Иванов, С.Д. Исаева, Н.П. Карпенко, А.Е. Касьянов, Д.М. Кац, А.Н. Каштанов, Б.М. Кизяев, Л.В. Кирейчева, В.И. Кирюшин, Н.Г. Ковалев, В.А. Ковда, Д.В. Козлов, А.Н. Костяков, А.В. Кравчук, В.Н. Краснощеков, И.П. Кружилин, Ю.А. Мажайский, З.М. Маммаев, Д.А. Манукьян, Б.С. Маслов, Б.Ф. Никитенков, А.С. Овчинников, Н.А. Пронько, В.В. Пчелкин, Л.М. Рекс, И.С. Румянцев, Г.А. Сенчуков, В.И. Сметанин, С.В. Сольский, Т.И. Сурикова, Л.М. Хажметов, Н.Б. Хитров, В.В. Шабанов, Д.В. Штеренлихт, В.И. Штыков, Б.Б. Шумаков, А.В. Шуравилин, И.Ф. Юрченко, В.П. Якушев и другие ученые.

В настоящее время существует несколько определений понятия «ландшафт». Однако во всех определениях отличительными особенностями ландшафта считаются его природное единство, целостность, понимание ландшафта как структурного элемента ландшафтной (географической) оболочки планеты. Большинство существующих определений ландшафта дополняют друг друга. В совокупность понятий физической географии и ландшафтоведения наравне с общепринятым понятием ландшафта как природно-территориального комплекса (ПТК) было введено понятие «геосистема», а наряду с понятием агроландшафта было введено понятие «агрогеосистема». Агроландшафт - антропогенный ландшафт, естественная растительность которого на подавляющей части территории заменена агроценозами. Под агрогеосистемой понимается техноприродная ресурсовоспроизводящая и средообразующая гео(эко)система, служащая объектом сельскохозяйственной деятельности и одновременно средой обитания культурных растений, домашних животных и человека (Голованов А.И.).

Ландшафт имеет однородный геологический фундамент, определенный состав горных пород, один генетический тип рельефа, единый местный климат и, как следствие, один зональный тип и подтип почв. В то же время морфологические части ландшафта - элементарные ландшафты (фации) располагаются на разных формах и элементах рельефа, отличаются друг от друга водным режимом, растительным покровом, что приводит к образованию азональных почв. Наиболее значимыми природными факторами, определяющими структурную и функциональную специфику геосистем, являются рельеф земной поверхности, геологическое строение, местный климат, обводненность территории, тип растительного покрова. Эти факторы относятся к категории внутренних ландшафтообразующих факторов.

Геосистемы и ландшафты обладают собственными, только им присущими свойствами, знание которых необходимо при изучении ландшафтов и при работе с ними - использовании, обустройстве, восстановлении. К внутренним свойствам ландшафта относят: целостность, открытость, функционирование, способность почвообразования и продуцирования биомассы, структурность, динамичность, устойчивость, способность развиваться, изменчивость свойств компонентов геосистем в пространстве, нелинейность природных процессов.

Такие важнейшие процессы ландшафтов, как влагооборот, почвообразование, продуцирование биомассы, биогенный круговорот веществ, определяются тепло- и влагообеспеченностью, т.е. количеством поступающих в ландшафт тепла и влаги. Хозяйственная деятельность оказывает существенное влияние на функционирование ландшафтов. Природные ландшафты под воздействием человеческой деятельности становятся природно-антропогенными.

Для ландшафтной оболочки справедлив закон иерархической организации слагающих ее частей. Функционально-динамическое сопряжение природных геосистем, последовательно сменяющих друг друга в направлении от местного водораздела к местному базису денудации (реке, депрессии рельефа) называют ландшафтно-геохимической (ландшафтной) катеной. Катенарный ряд элементарных ландшафтов (фаций) представляет собой целостную геосистему с однонаправленным потоком вещества и энергии сверху вниз по склону.

Ландшафт имеет природные, естественные границы, что позволяет составлять ландшафтные карты. Ландшафтная карта является организующим научно-методическим базисом научного анализа, исходной синтетической моделью для прикладных прогнозных расчетов: мелиоративных, водохозяйственных, экологических.

Среднемасштабные ландшафтные карты административных областей способны представлять ландшафтную структуру регионов на уровне видов и подвидов ландшафтов и географических местностей. Например, на ландшафтной карте Московской области (Анненская Г.Н. и др.) объектами изображения являются такие единицы как физико-географические провинции, физико-географические районы, ландшафты и местности. Всего на описываемой территории выделено 7 физико-географических провинций, 13 физико-географических районов, 114 индивидуальных ландшафтов, которые относятся к 75 видам и 26 родам. Местности составляют 310 видов и 26 родов.

История развития человечества - есть история природопользования, в котором природные компоненты ландшафта (воздух, поверхностные и подземные воды, горные породы, почвы, растительный и животный мир) используются в процессе общественного производства для удовлетворения материальных и культурных потребностей человеческого общества.

Оставлять все ландшафты в неизменном состоянии было бы немыслимо и нецелесообразно, так как само выживание и развитие человеческого общества поставлено в зависимость от эффективности использования компонентов ландшафтов. При этом компоненты ландшафта выступают в роли природных ресурсов, как источники сырья, топлива, энергии, а сам ландшафт рассматривается в качестве своеобразного природно-ресурсного района или пространственного базиса для размещения различных инженерных или техно-природных систем. К основным видам природных ресурсов относятся: солнечная энергия, водные, земельные, минеральные и растительные ресурсы, а также ресурсы животного мира.

Под социально-экономической функцией ландшафта понимают выполнение ландшафтом заданной социально-экономической роли, направленной на удовлетворение той или иной потребности общества. Под оптимизацией ландшафта понимают деятельность по обеспечению наиболее эффективного выполнения ландшафтом социально-экономических функций при сохранении ресурсовоспроизводящих и средоформирующих свойств. Под улучшением ландшафта понимают систему мероприятий, направленную на изменение ландшафта с целью формирования или совершенствования благоприятных для человека свойств ландшафта.

Мелиорация дает возможность изменять комплекс природных условий (почвенных, гидрогеологических, гидрологических и др.) на земельных угодьях в необходимом для человека направлении, формировать высокопродуктивные агробиоценозы, повышать плодородие почв, обеспечивать устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур, выращивать новые культуры, создавать благоприятные условия для существования полезной флоры и фауны.

В современной концепции развития мелиорации сельскохозяйственных земель нашли отражение ее основные цели: расширенное воспроизводство плодородия почв, получение оптимального урожая определенных сельскохозяйственных культур при определенных экологических ограничениях, не допускающих вредного влияния на природные системы.

Цели мелиорации земель могут быть достигнуты только при выполнении определенного целостного набора требований, которым должна удовлетворять система мелиоративных мероприятий, т.е. мелиоративного режима (Голованов А.И., Айдаров И.П.).

Между компонентами геосистем и геосистемами в целом постоянно происходит вещественно-энергетический и информационный обмен, обусловливающий межкомпонентные связи в ландшафте. Эти межкомпонентные вещественно-энергетические связи особенно активны в биогеохимическом (малом биологическом) круговороте. Поэтому, согласно положениям, выдвинутым основоположником мелиоративной науки академиком А.Н. Костяковым, одной из важнейших задач мелиорации земель является управление биологическим и геологическим круговоротами воды и химических веществ. Согласно концепции А.Н. Костякова, одной из важнейших задач земледелия и мелиораций является управление круговоротом воды и зольных питательных элементов в целях прогрессивного повышения плодородия почв и перевод потоков вещества (воды и питательных для растений веществ) и энергии из геологического круговорота в биологический путем высокопродуктивного сельскохозяйственного использования земель, изменения нужным образом природных (почвенных, гидрологических) условий земельных массивов. Таким образом, происходит увеличение аккумуляции солнечной энергии в экосистеме путем комплексного управления всеми факторами внешней среды.

При использовании воды на орошение земель эта вода включается в биологический круговорот, который таким образом усиливается. При осушении болот ускоряется геологический круговорот воды, улучшаются гидрологические условия заболоченных районов, однако при этом не должно быть допущено удаление питательных веществ с осушаемой территории. Для этого нужно предупреждать процессы эрозии, дефляции и вымыва зольных питательных веществ, регулировать и усиливать биологический круговорот влаги и питательных веществ путем правильного сельскохозяйственного использования мелиорируемых земель.

Потребности в мелиорациях изменяются по природным, или по ландшафтно-географическим, зонам. Ландшафтно-географические зоны отличаются по климату, растительности и почвам. Формирование зональности растительного и почвенного покрова определяется ресурсами солнечной радиации (тепла) и влаги.

Зональные особенности территории принято учитывать с помощью широко используемого в настоящее время энергетического коэффициента - коэффициента увлажнения А.Н. Костякова, т.е. отношения среднегодового количества атмосферных осадков к среднегодовой испаряемости. Аналогичный по смыслу энергетический коэффициент М.И. Будыко - индекс сухости, т.е. отношение количества тепла, поступившего в почву в средний год к затратам тепла, необходимым для испарения среднегодового количества атмосферных осадков, характеризует зональную тепло-влагообеспеченность, которая предопределяет зональную растительность, зональные типы и подтипы почв. В качестве показателя природной тепло-влагообеспеченности может быть использован климатический дефицит водного баланса, т.е. разница между испаряемостью и количеством атмосферных осадков за расчетный период.

Для мелиорации такие энергетические коэффициенты являются очень важными, т.к. определяют потребность в дополнительном увлажнении, когда энергетические ресурсы местности используются не в полной мере для продуцирования биомассы.

Потребность в мелиорации зависит не только от зональных, но и от азональных особенностей природных условий. Обычно орошают возвышенные выровненные пространства, естественная тепло-влагообеспеченность которых характеризуется радиационным балансом и количеством атмосферных осадков. В осушении нуждаются, как правило, азональные природные объекты - элементарные ландшафты, которые из-за своего относительно низкого месторасположения получают дополнительное водное питание за счет притока воды со стороны выше расположенных элементарных ландшафтов.

Для объективной оценки потребности в орошении и осушении необходим учет помимо зональных показателей - атмосферных осадков и испаряемости, детальный учет азональных факторов - притока воды на территорию с выше расположенных элементарных ландшафтов и ее оттока в ниже расположенные элементарные ландшафты и местные водотоки. Наиболее обоснованным является в этом случае количественное описание влагооборота в сопряженных элементарных ландшафтах в разные по климатической влагообеспеченности годы, что возможно при имитационном математическом моделировании.

Математическое моделирование передвижения почвенной влаги и подземных вод в настоящее время используется широко, вместе с тем методика описания и прогнозирования этих процессов применительно к вопросам мелиорации агроландшафтов разработана недостаточно полно. В рассматриваемом случае становится недостаточным одномерное (по вертикали) описание процессов влагопереноса, необходимо учитывать латеральные потоки между сопряженными элементарными ландшафтами при выраженном рельефе. При этом очень важен переход от обычного географического описания к схематизации. В этом случае необходимо корректно оценивать суммарное испарение (транспирацию растениями и испарение с поверхности почвы), так как оно существенно зависит от реального увлажнения корнеобитаемого слоя почвы.

Мелиорация земель входит в состав и технологическую цепочку ландшафтно-адаптивных систем земледелия. Современные региональные ландшафтно-мелиоративные системы земледелия рекомендуется разрабатывать на основе учета природных и агропроизводственных условий ландшафтных провинций, они формулируют общие подходы к адаптации сельскохозяйственного производства к ландшафтным условиям сравнительно однородных крупных территорий (Ковалев Н.Г., Иванов Д.А.). Поэтому мелиоративные мероприятия должны обосновываться и проектироваться с учетом ландшафтных границ и ландшафтных особенностей территории, а мелиоративные режимы должны рассчитываться с учетом особенностей функционирования природных и антропогенных ландшафтов.

Ландшафтный подход к обоснованию необходимости и интенсивности водных мелиораций агроландшафтов должен предусматривать: ландшафтную идентификацию территории (ландшафтная провинция, ландшафтный район и т.д.), изучение морфологической структуры ландшафта, классификацию территории для выполнения производственных и других функций, оценку геоморфологических, литологических, гидрогеологических и климатических условий, оценку структуры почвенного покрова. При расчете мелиоративных режимов агроландшафтов с использованием математических моделей, учитывающих двумерный характер передвижения влаги в почвах и грунтах ландшафтных катен, необходима схематизация природных условий, учитывающая геоморфологические, литологические, гидрогеологические, климатические, почвенные особенности рассматриваемых таксономических единиц (ландшафтных провинций, ландшафтных районов и т.д.).

Глава 2. Характеристика ландшафтов Московской области

Во второй главе дается характеристика ландшафтообразующих факторов и компонентов ландшафтов рассматриваемого региона.

К ландшафтообразующим природным факторам, определяющим специфику геосистем, относятся: географическое положение, рельеф земной поверхности, геологическое строение, обводненность территории, характер растительного покрова, животный мир, климат. При этом климат, воды, почвы, растительность и животный мир относятся к зональным факторам, а геологическое строение и рельеф - к азональным факторам. Все перечисленные факторы принимают участие в формировании общего характера ландшафтов, как природно-территориальных комплексов.

Географически Московская область расположена между 560 58' и 540 15' северной широты и 350 06' и 400 15' восточной долготы. Площадь территории области составляет 47,0 тыс. кв. км (вместе с г. Москвой), из них г. Москва занимает площадь около 1,0 тыс. кв. км. Московская область расположена в средней части Русской (Восточно-Европейской) равнины, в междуречье р. Волги и р. Оки и является одной из центральных областей Российской Федерации.

Территория центральных областей европейской части Российской Федерации представляет собой равнину, поверхность которой отражает тектонические элементы Русской платформы. Общий наклон равнины к востоку объясняется наклоном горизонтов карбона Московской синеклизы в том же направлении. Западное и юго-западное крылья синеклизы приподняты, им соответствуют Валдайская и Средне-Русская возвышенности. Владимиро-Шиловский прогиб проявляется в виде Мещерской низины, а Окско-Цнинский вал - в виде Окско-Цнинского плато. В строении рельефа находят отражение и структуры более низких порядков - древней возвышенностью эрозионно-денудационного происхождения является Клинско-Дмитровская гряда.

Рельеф земной поверхности является результатом деятельности ледников четвертичного периода, доледникового и послеледникового процессов денудации. В современном рельефе сказывается деятельность последних трех оледенений: днепровского, московского и валдайского. Ледники и их талые воды являлись основными рельефообразующими факторами в границах московского оледенения, а за этими границами главная роль в формировании рельефа принадлежит эрозии. Изменения в связи с эрозией претерпел и ледниковый рельеф - в границах московского оледенения ледниковые формы рельефа в значительной степени видоизменены денудацией. В формировании рельефа большое значение имеет литологический состав рельефообразующих пород. В границах оледенения это преимущественно четвертичные валунные и покровные суглинки и водно-ледниковые пески и глины.

В геологическом строении рассматриваемой территории выделяют два структурных яруса. Нижний ярус представляет собой складчатый фундамент, сложенный сильно-дислоцированными кристаллическими породами архейского и протерозойского возраста. Верхний структурный ярус представлен отложениями позднего докембрия, кембрия, ордовика, девона, карбона, перми, триаса, юры, мела, палеогена, неогена и четвертичной системы.

Отложения четвертичной системы в рассматриваемом районе представлены континентальными образованиями, они имеют повсеместное распространение. Мощность их и строение на рассматриваемой территории изменяются в широких пределах в зависимости от морфологии дочетвертичного рельефа и особенностей распространения материковых оледенений. В толще четвертичных отложений выделяются морены окского, днепровского, московского и валдайского оледенений, песчано-глинистые водно-ледниковые, аллювиальные отложения, а также покровные суглинки, озерные и болотные образования.

В толще четвертичных отложений содержится комплекс подземных межпластовых вод и грунтовых вод. Подземные воды четвертичных отложений находятся в сложной взаимосвязи между собой, с подземными водами дочетвертичных пород, а также с поверхностными водами. Для большинства водоносных горизонтов четвертичных отложений характерны сравнительно небольшая глубина их залегания, малая минерализация воды и относительно небольшие ресурсы. Формирование вод четвертичных отложений связано, с постоянным и весьма интенсивным водообменом их с поверхностными водами. Основным источником питания этих вод являются атмосферные осадки.

Режим подземных вод характеризуется сезонными колебаниями, связанными главным образом с атмосферными осадками и испарением, а вблизи рек и озер находится под влиянием их режима. Воды четвертичных отложений, находящиеся в зоне активного водообмена, имеют минерализацию преимущественно от 0,1 до 0,5 г/л, и относятся к типу гидрокарбонатных кальциевых.

Основная часть описываемой территории Московской и соседних с ней областей занята бассейном Волги и ее главного притока Оки. Основные местные реки -- Москва (длина 473 км) и Клязьма (239 км в пределах области). Важной водной артерией области является канал им. Москвы длиной 126 км, соединяющий Волгу с Москвой. Всего в области 353 реки длиной более 10 км, 3800 рек длиной менее 10 км. Длина всех водотоков области составляет 18766 км. Густота речной сети зависит от количества атмосферных осадков, геологического строения и рельефа, а также от характера почв и растительного покрова. Средняя густота речной сети в пределах Московской области составляет 0,40 км/км2.

Режим рек Московской области типичен для равнинной части Европейской территории России. Характерным является высокое весеннее половодье, низкая зимняя и летняя межень, относительно небольшой паводок в осенний период. На внутригодовое распределение речного стока оказывает влияние климатический фактор (соотношение осадков и испарения в бассейне реки в разные сезоны года), а также величина водосбора, его залесенность, озерность и заболоченность, искусственные сооружения (плотины, водохранилища, пруды), нарушающие естественный режим рек.

Московская область расположена почти целиком в двух почвенных зонах: в зоне подзолистых почв и в зоне серых лесных почв. Южная граница подзолистой зоны проходит по Московской области в широтном направлении и на большей части своего протяжения совпадает с отрезком р. Оки между городами Серпухов и Озеры. Таким образом, две трети территории Московской области располагаются в пределах южной части подзолистой зоны, или, точнее, в пределах подзоны дерново-подзолистых почв. Южнее того же отрезка Оки и до широтного отрезка р. Осетр у г. Серебряные Пруды расположена зона серых лесных почв. Южная часть Серебряно-Прудского района Московской области, к югу от широтного отрезка р. Осетр, характеризуется развитием оподзоленных и выщелоченных черноземов.

Дерново-подзолистые почвы являются наиболее характерными для Московской области. По занимаемой площади они находятся на первом месте, покрывая около 61% территории области. Дерново-подзолистые почвы обладают сравнительно небольшим запасом питательных веществ и гумуса. Дерново-подзолистые почвы подразделяются в зависимости от соотношения мощности и степени выраженности подзолистого и гумусового горизонтов на дерново-сильноподзолистые, дерново-среднеподзолистые и дерново-слабоподзолистые почвы.

Растительный покров территории определяется принадлежностью ее к зоне смешанных хвойно-широколиственных лесов и прохождением по ней границ южно-таежной и широколиственно-лесной подзон, где преобладают смешанные елово-сосновые и хвойно-широколиственные леса. Земли лесного фонда занимают около 42% территории области. Естественный растительный покров представлен также лугами (заливными и суходольными), кустарниковыми зарослями в поймах рек, растительными сообществами болот и побережий водоемов, водными растениями.

Климат Московской области обусловлен ее географическим положением в умеренных широтах и характеризуется как умеренно-континентальный. Климат характеризуется теплым летом, умеренно-холодной зимой с устойчивым снежным покровом и хорошо, выраженными переходными сезонами. Среднемесячная температура воздуха самого теплого месяца - июля изменяется по территории от 17 0С на северо-западе до 18,5 0С на юго-востоке. Среднемесячная температура воздуха самого холодного месяца - января на западе области - 100С, на востоке - 110С, на севере области - 10,3°С, на юге - 9,8°С. Период с положительной среднесуточной температурой воздуха длится в среднем 209…215 суток. Относительная влажность воздуха, отражающая степень насыщения воздуха водяным паром, имеет годовой ход, обратный температуре воздуха. В холодный период года относительная влажность воздуха составляет в среднем 82…87% и мало меняется в течение суток. В летний период ее значения составляют 65…75%, при этом минимум наступает в 15…16 часов, максимум -- перед восходом солнца.

Годовое количество осадков по Московской области составляет в среднем на севере 654 мм (Клин), на юге 593 мм (Кашира), на западе 640 мм (Можайск), на востоке 584 мм (Черусти). Максимум осадков приходится на июль, минимум -- на март.

Для того чтобы судить об увлажнении, нужно знать не только количество влаги, поступающей в геосистему, но и количество расходуемой влаги, т.е. суммарное испарение или эвапотранспирацию. Общепринятым показателем потребности во влаге служит испаряемость, т.е. количество воды, которое может испариться с поверхности земли в данных климатических условиях при неограниченных запасах влаги. Величина испаряемости определяется запасами тепла, а также влажностью воздуха, которая, тоже зависит от термических условий. Поэтому соотношение испаряемости и осадков рассматривают как показатель соотношения тепла и влаги, или условий тепло-влагообеспеченности природного комплекса (геосистемы). Именно это соотношение дает представление о балансе тепла и влаги, позволяет оценить тип водного режима почв, интенсивность биологических процессов и зависимость почвенно-мелиоративных условий от этих факторов, дает возможность выявить основные факторы, лимитирующие плодородие почв, наметить мелиоративные мероприятия (орошение, осушение) и их интенсивность.

В качестве метода исследования природной тепло-влагообеспеченности территорий для целей мелиорации может быть использован анализ интегрального показателя, выраженного через климатический дефицит водного баланса за расчетный период. Климатический дефицит водного баланса, рассчитанный за теплый, биологически активный период года (со среднесуточной температурой воздуха более 5°С), позволяет установить потребность в водных мелиорациях (орошение, осушение), в первом приближении количественно оценить величины оросительных норм (для элювиальных фаций), необходимых для восполнения недостатка влаги в почве, или объемы отводимой избыточной влаги. Он может быть рассчитан по формуле

Д = Е - Ос , (1)

где Д - климатический дефицит водного баланса за период с температурой воздуха выше 5°С, мм; Ос - сумма осадков за расчетный период, мм; Е - испаряемость за расчетный период, мм.

Для определения испаряемости за расчетный период различными авторами предложено несколько формул. Опыт показывает правомерность использования для расчета декадной испаряемости Е, мм, формулы Н.Н. Иванова

E = 0,0061 (25 + Т)2(1 - 0,01a) , (2)

где Т - средняя за декаду температура воздуха, °С; а - средняя за декаду относительная влажность воздуха, %.

Испаряемость характеризует энергетические ресурсы климата. Она отличается от испарения, т.е. фактически испаряющейся влаги, величина которой на суше всегда меньше испаряемости, ограничена количеством выпадающих осадков и зависит от биологических особенностей растительного покрова. В результате осуществления водных мелиораций, улучшающих влагообеспеченность растений, реальное потребление влаги растениями может приближаться к потенциально возможному, т.е. к испаряемости.

Исходной информацией для расчета испаряемости рассматриваемой территории послужили данные метеостанций московского региона с длительными рядами наблюдений за климатическими характеристиками. Нами были обобщены и обработаны данные наблюдений за среднедекадной температурой и относительной влажностью воздуха, а также декадными количествами атмосферных осадков 18-ти метеостанций московского региона, из них 12 - расположенных в пределах семи физико-географических провинций области, с длительностью периода наблюдений 42 года (1959…2000 гг.). Длительность рядов наблюдений представляется достаточно репрезентативной.

По данным наблюдений за среднедекадной температурой и относительной влажностью воздуха нами была установлена длительность теплого периода, которая практически для всех метеостанций оказалась одинаковой: с 12-ой по 28-ю декаду (с 21 апреля по 10 октября). Для периода наблюдений были определены декадные значения потенциальной эвапотранспирации (испаряемости) по формуле Н.Н. Иванова и потенциальный дефицит климатического дефицита увлажнения теплого, биологически активного периода как разность между испаряемостью и атмосферными осадками.

Климатические характеристики (среднемноголетние значения) рассматриваемой территории для периода наблюдений приведены в таблице 1.

Таблица 1 Климатические характеристики физико-географических районов Московской области

Как следует из таблицы, все показатели закономерно изменяются с северо-запада на юго-восток, следуя ландшафтной зональности: осадки уменьшаются, а испаряемость и дефицит увлажнения - увеличиваются.

На основе полученных результатов нами были составлены графики обеспеченности (вероятности превышения) климатического дефицита увлажнения за теплый, биологически активный период года, показывающие тепло-влагообеспеченность физико-географических районов Московской области (рис. 1).

Была составлена также схематическая карта изолиний этого показателя по средним многолетним его значениям, иллюстрирующая распределение этого показателя по физико-географическим провинциям и районам Московской области (рис. 2).

Рис. 1 Графики обеспеченности климатического дефицита увлажнения территории области за теплый период года

Оценка результатов расчетов и сопоставление их с границами физико-географических провинций и районов Московской области позволили сделать следующие выводы. Значения климатического дефицита водного баланса характеризуются значительной изменчивостью по физико-географическим провинциям и районам Московской области. В пределах области дефицит водного баланса за теплый, биологически активный период года по средним многолетним его значениям в зависимости от физико-географического района изменяется от 150 мм на юго-востоке области до -10 мм на северо-западе, т.е. более чем на 160 мм. Существенно изменяется обеспеченность растений теплом и влагой в пределах физико-географических провинций и районов, что обусловливает необходимость изменения характера и интенсивности мелиоративных воздействий.

Следует учитывать также, что потребность в мелиорации зависит не только от зональных, но и от азональных особенностей природных условий. Обычно орошают возвышенные выровненные пространства, естественная увлажненность которых характеризуется климатическим количеством тепла и атмосферных осадков, на этих землях распространены зональные почвы. В осушении нуждаются, как правило, азональные природные объекты - элементарные ландшафты, которые из-за своего пониженного расположения получают дополнительное водное питание за счет притока со стороны возвышенных элементарных ландшафтов.

Рис. 2 Изолинии среднемноголетнего климатического дефицита увлажнения (мм) за теплый период для Московской области. Условные обозначения: 1, 2 - границы физико-географических (ландшафтных) провинций и районов соответственно; 3 - изолинии дефицита климатического увлажнения; 4 - метеостанции; 5 - обозначения физико-географических районов: I1, I2; II1, II2; III1, III2 - Западный и Восточный районы соответственно Верхне-Волжской, Смоленской, Московской физико-географических провинций; IV1, IV2 - Северный и Южный районы Москворецко-Окской провинции; V1, V2; VI1, VI2 - Западный и Восточный районы соответственно Мещерской, Заокской провинций; VII - район Среднерусской провинции

Таким образом, рассчитанные нами параметры тепло-влагообеспеченности, дифференцированные по ландшафтным провинциям и ландшафтным районам Московской области позволяют в первом приближении наметить характер и интенсивность мелиоративных воздействий в агроландшафтах.

Одними из сильных антропогенных нагрузок на ландшафты являются осушение и орошение земель, которые сопровождаются созданием новых водотоков в искусственных руслах, изменением водного и связанных с ним режимов (воздушного, теплового, пищевого, солевого) почв и подстилающих отложений, изменением процессов почвообразования.