Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы длительного использования мелиорируемых земель 10
1.1. Изменение водно-физических и химических свойств осушенных минеральных почв 10
1.2. Изменение состава, водно-физических и химических свойств торфяных почв 13
1.3. Экологическая тенденция загрязнения и деградации земель под влиянием антропогенного воздействия 18
1.4. Режим работы дренажа и дифференциация мелиоративного режима на тяжелых почвах 24
1.5. Условия эксплуатации мелиоративных систем и их влияние на окружающую среду и продуктивность 31
Глава 2. Регионы, объекты, методика и условия проведения исследований 38
2.1. Природно-мелиоративные условия Центрального района Нечерноземной зоны РФ...38
2.1.1. Объекты, условия и методы полевых исследований в Московской области 40
2.1.2. Объекты, условия и методы полевых исследований в Тверской области 43
2.1.3. Объекты, условия и методы полевых исследований в Рязанской области 45
2.2. Природно-мелиоративные условия Республики Беларусь 48
2.2.1. Объекты, условия и методы полевых исследований в Полесье 50
2.2.2. Объекты, условия и методы полевых исследований в Поозерье 50
2.3. Объекты и методика теоретических исследований 52
2.3.1. Фильтрация к дренам в грунтах с круговыми включениями 53
2.3.2. Фильтрация к дренам в грунтах с эллиптическими включениями 53
2.3.3. Фильтрация к сходящимся дренам 54
2.4. Объекты и методика исследований методом электрогидродинамической аналогии (ЭГДА) 54
2.4.1. Исследование влияния полукруговых включений на фильтрацию к дренам 55
2.4.2. Исследование фильтрации к дренам в траншейной засыпке 55
2.4.3. Исследование фильтрации к дренам при дифференцированных мелиоративных обработках 56
Глава 3. Изменение свойств почв при длительной эксплуатации мелиоративных систем 57
3.1. Изменение свойств дерново-подзолистой оглеенной почвы в зависимости от продолжительности действия дренажа, глубокого рыхления и очистки дрен 57
3.1.1. Изменение водно-физических свойств 57
3.1.2. Изменение агрохимических свойств 70
3.2. Изменение водного режима дерново-подзолистой оглеенной почвы в зависимости от продолжительности действия дренажа, глубокого рыхления и очистки дрен 74
3.2.1. Динамика режима дренажного стока 74
3.2.2. Динамика уровня почвенно-грунтовых вод 88
3.2.3. Динамика влажности почвы 98
3.3. Влияние осушения на состояние переувлажненных минеральных почв 111
3.3.1. Изменение водно-физических свойств минеральных почв 111
3.3.2. Изменение агрохимических свойств минеральных почв 120
3.3.3. Биологическая активность измененной минеральной почвы 123
3.4. Влияние осушения на состояние торфяных почв 124
3.4.1. Изменение мезорельефа 124
3.4.2. Минерализация органического вещества 128
3.5. Эффективность приемов мелиорации 144
3.5.1. Оценка эффективности приемов мелиорации дерново-подзолистых почв 144
3.5.2. Исследование мелиоративных обработок, дифференцированных по ширине междреньев 151
Глава 4. Агроэкологическая оценка длительной эксплуатации мелиорируемых земель 154
4.1. Влияние мелиоративных систем на прилегающие земли 154
4.2. Агромелиоративные мероприятия по использованию антропогенных почв 166
4.2.1. Отношение сельскохозяйственных культур к процессу сработки органического вещества 167
4.2.2. Основные положения, принципы мелиоративного земледелия и луговодства на антропогенных почвах 170
4.2.3. Структура посевных площадей и севооборота 172
4.2.4. Агромелиоративные приемы повышения плодородия антропогенных почв 176
4.3. Влияние структурной мелиорации на оптимизацию плодородия почвенных показателей мелиорируемых почв 179
4.3.1. Изменение морфологических, водно-физических и химических свойств почв под действием оптимизации 180
4.3.2. Оптимальные показатели плодородия торфяных почв 187
4.3.3. Изменение морфологических, водно-физических, химических свойств минеральных почв под действием оптимизации 197
4.3.4. Формирование плодородия оптимизированных почв 215
4.3.5. Агротехнические требования к оптимизации торфяных и минеральных почв 220
4.3.6. Технологические способы экологической оптимизации плодородия мелиорируемых торфяных и минеральных почв 224
4.3.7. Урожай и его качество под влиянием оптимизации торфяных и минеральных почв 226
4.4. Принципы сельскохозяйственного использования торфяных почв 230
4.5. Эколого-экономический эффект от использования агромелиоративных мероприятий при длительной эксплуатации мелиорируемых земель 236
Глава 5. Оценка эксплуатационной надежности мелиоративных систем 240
5.1. Условия эксплуатации дренажа экологически контролируемого состояния 240
5.2. Результаты обследования осушительных систем 245
5.3. Заиление дрен 249
5.4. Технология определения места засорения дренажа 252
Глава 6. Теоретическое обоснование мероприятий по совершенствованию систем осушения 253
6.1. Теоретическое обоснование методов осушения тяжелых почв 253
6.1.1. Расчет фильтрации к дренам при мелиоративной обработке, дифференцированной по ширине междрений 257
6.2. Совершенствование конструкции дренажа и дренажной сети 259
6.2.1. Расчет дренажа с учетом проницаемости дренажных фильтров 262
6.2.2. Расчет дренажа с учетом проницаемости траншейной засыпки 267
6.2.3. Результаты моделирования на ЭГДА 284
6.2.4. Расчет фильтрации к сходящимся дренам 287
Выводы 296
Предложения для проектирования и производства 300
Литература 301
- Изменение состава, водно-физических и химических свойств торфяных почв
- Природно-мелиоративные условия Республики Беларусь
- Изменение водного режима дерново-подзолистой оглеенной почвы в зависимости от продолжительности действия дренажа, глубокого рыхления и очистки дрен
- Агромелиоративные мероприятия по использованию антропогенных почв
Введение к работе
Актуальность проблемы. Нечерноземная зона Российской Федерации и Республики Беларусь относится к регионам с пониженной биологической продуктивностью земель в связи с тем, что большая часть сельскохозяйственных угодий расположена в районах неустойчивого и избыточного увлажнения.
Вопросами изучения почвенно-мелиоративных условий Нечерноземной зоны занимались А.Н. Костяков (1960), А.Д. Брудастов (1955), Д.Г. Виленский (1955), В.И. Шраг (1954), Ф.Р. Зайдельман (1981), С.Ф. Аверьянов (1957,1969), В.К. Панов (1974) и другие.
К концу 1980 г. площадь мелиорированных сельскохозяйственных угодий Нечерноземной зоны РФ составила 2894 тыс. га, в том числе осушенных - 2346 тыс. га, орошаемых - 548 тыс.га. Закрытым дренажем осушено 1413 тыс. га, или 60%. Мелиорируемые земли по России в целом составляют 6% общей площади сельскохозяйственных угодий, производство сельскохозяйственной продукции на этих землях - 9-10% всей продукции земледелия.
В структуре земельного фонда Беларуси сельскохозяйственные земли занимают 9257,7 тыс. га, из них пахотные - 6133,2 тыс. га, по состоянию на 1.01.2(302 г. площадь осушенных земель составляла 3416,0 тыс. га, или 16,4% всей территории республики. Однако, уже к 1990 г. мелиоративное строительство значительно сократилось и основными направлениями стали окультуривание, оптимизация главных показателей плодородия и сохранение продуктивности мелиорированных земель при надежной их эксплуатации (Гулюк,1998).
Следует заметить, что в последние годы эффективность эксплуатации мелиорированных систем снизилась, что привело к ухудшению состояния осушенных земель и снижению их продуктивности на 25-35% по сравнению с проектными показателями. Отметим, что еще не достаточно исследовано и экологически обосновано изменение эффективности дренажа в зависимости от срока его действия и условий эксплуатации. Также слабо проработан вопрос об изменении почвенных условий в зависимости от срока действия дренажа при применении агромелиоративных мероприятий.
Длительная эксплуатация мелиоративных систем приводит к их моральному и физическому старению и требует специальных агромелиоративных мероприятий по их реабилитации. Кроме того, возросшие экологические требования, ограничение на использование водных, земельных и энергетических ресурсов ставят проблему экологического обоснования эксплуатации мелиоративных систем длительного действия.
В этой связи исследования, направленные на прогноз последствий продолжительной работы мелиоративных систем, оценку изменения эффективности и разработки агромелиора-
тивных мероприятий по их реанимации, являются актуальными и имеют существенную теоретическую и практическую значимость.
Цель работы. Комплексное изучение динамики физических, агрохимических и агрономических свойств дерново-подзолистых земель, исследование экологических, эксплуатационных и конструктивных факторов их рационального длительного использования в сельскохозяйственном производстве, разработка агротехнических мероприятий и теоретическое обоснование современного проектирования эффективных осушительных систем.
Экспериментальное и теоретическое обоснование и внедрение комплексов мелиоративных, агротехнических, эколого-технологических мероприятий, направленных на обеспечение эффективного длительного использования мелиоративных земель Нечерноземной зоны Российской Федерации и Республики Беларусь.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач.
Выявить почвенные, экологические, конструктивные, эксплуатационные факторы, обуславливающие длительность эффективного использования мелиорируемых земель.
Изучить закономерности применения и формирования водно-воздушного режима почв разных сроков осушения.
Изучить закономерности изменения водно-физических свойств почв разных сроков осушения.
Изучить закономерности изменения агрохимических свойств почв разных сроков осушения на фоне агротехнологий с различной степенью интенсивности применения минеральных удобрений.
Изучить закономерности трансформации органических веществ осушаемых почв.
Исследовать влияние агротехнических приемов механических обработок, внесения химических удобрений и мелиорантов, видов сельскохозяйственных культур и типов севооборотов, эксплуатационных уходов и технического состояния мелиоративных систем на почвенно-экологические факторы длительной их эксплуатации.
Разработать принципы и критерии оценки обеспечения эффективного длительно использования мелиорированных земель.
Разработаь технические и технологические решения, обеспечивающие оптимальные параметры мелиоративных режимов длительно осушаемых земель.
Провести агроэкологическую и экономическую оценки технологий и мероприятий, обеспечивающих длительную эксплуатацию мелиорированных земель.
Методология исследований. В качестве методологической основы использованы анализ и аналитическое обобщение результатов собственных оригинальных экспериментов и полевых наблюдений на опытных полях Московской, Тверской, Рязанской областей и Республики Беларусь с привлечением опубликованных материалов других исследований по подобным почвенно-климатическим зонам и мелиорированным землям. Разработанные расчетные методики положены в основу созданных новых агромелиорированных приемов улучшения и реализации длительно эксплуатируемых мелиорированных систем. При проведении экспериментов и закладке полевых опытов применены стандартные методики, обеспечивающие достоверность научных результатов, обоснованность выводов и предложенных практических рекомендаций.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлены закономерности изменения физических, водно-физических и агрохимических свойств почв мелиорируемых земель Нечерноземной зоны;
выявлены закономерности трансформации органических веществ минеральных и торфяных почв в мелиорированных системах;
предложены методы расчета параметров дренажа при наличии почвенно-мелиорированных неоднородностей;
разработаны технологии агротехнических обработок мелиорированных земель, учитывающие конструктивные особенности и заложение дренажных систем;
определены оптимальные параметры мелиоративных режимов использования минеральных и торфяных почв, обоснованы технологические приемы их оптимизации и перевода земель в категорию агроземов;
предложена методика эколого-экономической оценки эффективности мероприятий, обеспечивающих длительную эксплуатацию мелиорированных почв.
Основные положения, выносимы на защиту:
Почвенные и экологические факторы и критерии оценки, обоснование выбора и расчета агромелиоративных мероприятий по эффективной эксплуатации и совершенствованию использования мелиорированных земель и осушительных систем длительного пользования в Нечерноземном районе.
Технические и агромелиоративные решения по обоснованию и поддержке экологической проектной продуктивности осушаемых земель и устойчивости работы мелиориатив-ных систем.
8 3. Способы оптимизации основных показателей плодородия торфяных почв.
Диссертация выполнена на основе личных теоретических и экспериментальных разработок автора, технических и технологических решений, защищенных патентами на изобретения РФ. Полевые исследования на мелиорированных системах Нечерноземной зоны РФ (Московская, Рязанская, Тверская области) и Республики Беларусь проведены совместно с сотрудниками научных учреждений регионов по методологии и программам, разработанных автором. Анализ, обобщение экспериментальны данных и выработка рекомендации производству выполнены автором.
Практическое значение и реализация исследований. Практическое значение гидродинамических методов расчета параметров дренажа при наличии локальных неоднородно-стей заключается в возможностях расчета фильтрации при мелиоративной обработке дерново-подзолистой оглеенной почвы дифференцированно по ширине междурядий и фильтрации к дренам в дренажных засыпках.
Основы оптимизации плодородных мелиорируемых почв используются для разработки методов расчета режима работы дренажа длительного действия при его реконструкции, а также для обоснования параметров технологий оптимизации эффективного плодородия мелиорированных земель.
Аналитические зависимости и программные средства необходимы для расчета гидродинамических режимов дренажа при проектировании.
Предложенные агромелиоративные мероприятия по реабилитации мелиоративных систем длительного действия, технические решения по их экологической устойчивости и способы оптимизации плодородия земель обеспечивают повышение эффективности работы дренажа на 15-20%, снижение затрат труда до 30-40%, увеличение урожайности сельскохозяйственных культур на 15-25% и получение экологически чистой продукции.
Все предложенные технические и технологические решения защищены 11 авторскими свидетельствами на изобретения РФ.
Технологии дифференцированных обработок дренированных земель, агромелиоративные мероприятия, технические и технологические решения по экологической надежности мелиорированных систем и оптимизации плодородия земель использованы проектньми мелиоративными и строительными организациями Московской, Тверской, Рязанской и других областей центра Нечерноземной зоны России и Республики Беларусь.
Общая сумма лицензионных продаж разработок, защищенных патентами РФ, составляет 1,8 млн. рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на конгрессе МКИД в Сеуле, на заседании НТС Минсельхоза РФ и НТС Минсельхоза Беларуси (2002-2003 гг.), на международной конференции «Мониторинг состояния лесных и урбосистем» (2002 г.), на научно-технических конференциях в Российском университете дружбы народов (2001 г.), в Московском государственном университете природоустройства (2002 г.), Московском государственном университете леса (2001-2003 гг.), конгрессе МКИД в Москве (2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, в том числе монография «Агромелиоративные мероприятия при длительной эксплуатации дренажа и экологической реабилитации техногенно загрязненных земель гумидной зоны», пять брошюр, получено 11 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 323 стр. машинописного текста, включает 39 рисунков, 104 таблицы, список литературы из 337 наименований, в т.ч. 16 публикаций зарубежных авторов. Работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений.
Изменение состава, водно-физических и химических свойств торфяных почв
Под влиянием комплексных мелиорации (осушение, освоение, окультуривание) торфяные почвы заметно изменяют физические, химические и биологические свойства. Эти изменения, главным образом, направлены в сторону уменьшения влагоемкости, общей скважности, увеличения плотности и аэрации. При этом происходит увеличение степени разложения торфа, зольности, подвижных форм фосфора и калия, а также образование нитратов, нитритов и аммония.
Если до осушения развивался болотообразовательный процесс, при котором накопление органического вещества преобладало над его разрушением, то под влиянием осушения он прекращается и уступает место процессу почвообразования, характерной чертой которого является разложение, минерализация органического вещества. При этом эффективность процесса минерализации органического вещества торфа в первую очередь связана с нормой осушения, под которой понимается определенный для данной культуры режим грунтовых вод, поддерживаемый в различные фазы вегетации и в среднем за вегетационный период /282/.
Основным фактором, влияющим на почвообразовательный процесс при осушении болот, является норма или интенсивность осушения. Этот вопрос в достаточной степени был изучен рядом исследователей на мелиоративных объектах Мещерской низменности /192,132,216/. По данным исследований Мещерской опытно-мелиоративной станции, разные уровни грунтовых вод на болоте Кальское по-разному влияют на изменение водно-физических свойств. Так, при уровне грунтовых вод в среднем за вегетацию 207 см (глубо-кое осушение) объемная масса за 6 лет в слое 0-20 см увеличилась от 0,3 до 0,36 г/см , или на 20%, тогда как на участке с уровнем грунтовых вод 125 см объемная масса осталась практически без изменения. Полная влагоемкость за этот период наблюдений также снизилась с 372 до 327 на участке с уровнем грунтовых вод (УГВ) 207 см, т.е. на 45% от массы, а на участке с УГВ 125 см -только на 17% с 281 до 264 /66/. Результаты исследований на объекте мелиорации «Никитское» (Центральная Мещера) также показали, что при более интенсивном осушении заметнее изменяются водно-физические свойства торфяных почв. Исследования проводились на трех опытных участках с различной нормой осушения: первый - с глубиной залегания грунтовых вод в среднем за вегетацию - 120-140 см, второй - 80-100 см и третий - 60-80 см от поверхности почвы.
Установлено, что за 5 лет исследований (1971-1975 гг.) больше всего изменений водно-физические свойства торфа претерпели на участке с нормой осушения в среднем за вегетацию 120-140 см, меньше всего - на участке с нормой осушения 60-80 см от поверхности. Так, если на первом участке в пахотном горизонте плотность, скважность и полная влагоем-кость изменились с 0,18 г/см3, 88,0% и 488,8% до 0,23 г/см3, 83,5% и 441,0% соответственно, то на третьем участке эти показатели изменились значительно меньше: 0,19г/см , 89,0% и 457,1% в начале и 0,21 г/см3, 86,5% и 422,0% в конце периода исследований /284/. Влияние интенсивности осушения на изменение водно-физических свойств торфяных почв доказано исследователями и в других регионах. Так, в длительных опытах, проведенных на Минской болотной станции, выявлено увеличение объемной массы. На участке глубокого осушения это увеличение произошло по всей глубине торфяной залежи, а на участке неглубокого осушения - только до глубины 45 см /127/. Исследования на Коссовской опытной болотной станции показали, что полная влагоемкость в верхнем слое уменьшается с увеличением глубины осушения. Установлено также, что под влиянием осушения повышается водопроницаемость торфяной почвы /182,183/. Экспериментальные работы, проведенные на объекте «Вожа» (Центральная Мещера), также показали существенное влияние интенсивности осушения на изменение водно-физических и химических свойств торфа /232/.
Водно-физические и химические свойства торфа также существенно изменяются в процессе окультуривания, интенсивности и продолжительности сельскохозяйственного использования. На мелиоративном объекте «Тинки-И» Рязанской области за период с 1969 по 1973 год отмечалось изменение полной влагоемкости и скважности при различной интенсивности использования. Так, полная влагоемкость на участке с пропашным севооборотом в слое 0-20 см уменьшалась с 222,0 до 187,0%, а на участке с многолетними травами практически осталась без изменения. Также отмечается увеличение плотности в пропашном севообороте (с 0,25 до 0,30 г/см3) и в севообороте с использованием многолетних трав (с 0,25 до 0,27 г/см3) /118/.
В процессе освоения торфяных почв повышается степень разложения торфа, увеличивается содержание гумуса и усвояемого азота. Установлено, что процесс нитрификации более интенсивно выражен в почве под картофелем и составил в среднем за вегетацию в пахотном слое 39,4, а на участке с многолетними травами 35,0 мг/100 г /285/. Кроме того, образование нитратного азота в торфяной почве изменяется в зависимости от срока использования /281/. По данным таблицы 1 видно, что в первый год после осушения болота нитраты в торфяной почве отсутствуют. Их образование увеличивается по мере срока окультуривания. Так, через 5 лет использования в слое 0-50 см их содержание составило 52,2, а через 12 лет — уже 91,0 мг/100 г почвы.
Природно-мелиоративные условия Республики Беларусь
Республика Беларусь расположена в центральной части Европы и занимает площадь 207,6 тыс. км . Географически она расположена на стыке зон избыточного и неустойчивого увлажнения. Климатические и литолого-геоморфологические условия обусловили формирование на территории Белоруссии дерново-подзолистых, дерновых, дерново-карбонатных заболоченных и торфяно-болотных почв. Механический состав их достаточно неоднородный. По степени увлажнения 45,3% площади занимают автоморфные (нормально увлажненные) почвы, 40,3% полугидроморфные (длительно избыточно увлажненные) и 14,4% гидроморф-ные (постоянно избыточно увлажненные) /20/.
Климатические условия Республики определяются влиянием морских масс Атлантики, а также положением её в умеренных широтах. Зима мягкая, с продолжительными оттепелями, лето - умеренно теплое. Средняя годовая температура воздуха колеблется от 7,4С на юго-западе до 4,4С на северо-востоке. Среднее годовое количество осадков изменяется от 550 мм на юге республики до 700 мм на возвышенностях средней полосы.
Неравномерность пространственно-временного распределения тепловых и водных ресурсов позволяет выделить на территории Беларуси три гидрологоклиматические зоны.
Северная зона занимает Белорусское Поозерье и охватывает большую часть Витебской области и северные районы Минской и Могилевской областей. В средний и влажный годы она характеризуется избыточным увлажнением и достаточным в сухой год.
Центральная зона простирается в виде полосы через всю республику с запада на северо-восток; сюда относится также часть Витебской области. Эта зона характеризуется оптимальным увлажнением в средний год. Во влажный год в мае-августе наблюдается избыток влаги в количестве 75-100 мм. Сухой год характеризуется понижением влажности метрового слоя почвы за летний период до 70% наименьшей влагоемкости, что, по существу, является нижним пределом оптимальной влажности почвы.
Южная зона занимает территорию, сформированную на моренных и водно-ледниковых равнинах Предполесья и плоских аллювиальных, часто заболоченных низинах Полесья. Для этой зоны характерно недостаточное увлажнение, особенно в сухие годы, когда влажность метрового слоя почвы в среднем за май-август опускается ниже 70% наименьшей влагоемкости. Для поддержания влажности метрового слоя почвы на уровне наименьшей влагоемкости в этой зоне необходимо 500-1600 м /га воды.
Исходя из выше изложенного следует, что почвенно-климатические и гидрогеологические условия, формирующие земельный фонд Беларуси, привели значительную его часть (более 40%) к переувлажненности и заболоченности. Эти земли потенциально плодородны, но требуют мер по их сельскохозяйственному улучшению (осушение, освоение).
К мелиоративному фонду Беларуси относятся полугидроморфные, гидроморфные и пойменные почвы. К полугидроморфным относятся минеральные почвы периодического переувлажнения, а к гидроморфным - торфяно-болотные и заболоченные почвы постоянного переувлажнения. Общая площадь полугидроморфных и гидроморфных почв в республике составляет 46% /178,179/. К переувлажненным почвам относятся также пойменные почвы. Минеральные почвы составляют около 63% мелиоративного фонда и сконцентрированы в основном в Северной и Центральных зонах Беларуси. Среди них выделяются дерново-подзолистые почвы на лессах и лессовидных суглинках.
Торфяно-болотные почвы в республике занимают 2,9 млн. га и расположены, главным образом, в южной зоне (Полесская низменность). Преобладают в основном торфяно-болотные почвы низинного типа, которые широко используются в сельскохозяйственном производстве, как наиболее плодородные земли /43,184/.
Что касается пойменных земель, то они обладают высоким плодородием, но нуждаются в регулировании водного режима и требуют культуртехнического обустройства их территории /265/. Из первичного мелиоративного фонда к настоящему времени осушено 3,41 млн. га, из которых в сельскохозяйственном производстве используются только 2,92 млн. га. Остальная часть мелиорируемых земель требует проведение агромелиоративных мероприятий по их реабилитации.
Экспериментальная работа по изучению изменения физико-химических свойств торфяных почв при длительных мелиорациях и их рационального использования в практике сельскохозяйственного производства проводилась в условиях полевых опытов на Полесской станции мелиоративного земледелия луговодства (Брестская область Лупинецкий район).
Почва опытного стационара - среднемощная торфяная, подстилаемая разнозернистыми песками. Мощность торфяного слоя 1,0-1,5 м, зольность до 14%, степень разложения 35-40%, по ботаническому составу торф тростниковый и осоково-тростниковый. Обменная кислотность в пределах 4,5-5,2, гидролитическая 37-53 м-экв/100г почвы, степень насыщенности основаниями 71,4-87,1%, обеспеченность подвижными формами фосфора и калия соответственно 153-228 и 167-200 мг/кг почвы. Состав травосмеси при залужений (кг/га): кострец безостый - 17, тимофеевка луговая -10, овсяница луговая - 8.
Стационар состоит из трех площадок с регулируемым уровнем грунтовых вод (УГВ). Каждая площадка размером 300 х 70 м ограждена по периметру каналами и дамбами. На каналах при входе и выходе построены трубы-регуляторы, позволяющие поддерживать заданные значения УГВ. В течение вегетационного периода планировалось поддерживать постоянно три градации УГВ: 40-50, 70-80,100 см и ниже от поверхности почвы. В среднем за вегетацию в годы исследований УГВ составили 56, 79 и 96 см от поверхности почвы соответственно. На каждый вариант водного режима накладывались четыре фона минерального питания: Р90К180, N120P90K180, N240P120K120, N36oPi2oK240- Минеральные удобрения вносили ежегодно. Фосфорные — весной в один прием, калийные и азотные - дробно (под очередной укос). О степени минерализации органического вещества судили по изменению азотного режима - наличию легкоусвояемых азотных соединений (нитратный и аммонийный азот), учету газообразных потерь азота и выносу его почвенно-грунтовыми водами и урожаем. Содержание нитратного и аммонийного азота в почве определяли в течение вегетационного периода через 10 дней из смешанных образцов слоя почвы 30 см. Полевые исследования проводились в соответствии с общепринятыми методическими указаниями /86,204,234/.
Изменение водного режима дерново-подзолистой оглеенной почвы в зависимости от продолжительности действия дренажа, глубокого рыхления и очистки дрен
Создание оптимального водного режима на тяжелых минеральных почвах тесно связано с отводом избыточных вод дренажем из корнеобитаемого слоя. Одной из основных характеристик, определяющих эффективность работы закрытого дренажа, является дренажный сток. Водоотводящее действие дренажа обеспечивает интенсивность и эффективность осушения дренированных почв. Величина дренажного стока является одной из основных составляющих водного баланса. Она показывает, какая часть атмосферных осадков отводится дренажными сооружениями. Роль дренажа и количественные характеристики дренажного стока зависят, прежде всего, от типа водного питания.
Дренажный сток изменяется не только в зависимости от физико-географических факторов, но также от продолжительности действия дренажной системы, работоспособности дрен и особенностей их эксплуатации (Гулюк, Шуровин, 2002).
Одним из важных показателей эффективности действия дренажа является модуль дренажного стока. Он зависит от конструкции дренажа, типа водного питания, интенсивности атмосферных осадков, физических свойств почв и других условий осушаемых земель. Наши исследования (табл. 18, рис. 1-4) показали, что модуль дренажного стока существенно изменяется в зависимости от особенностей погодных условий года, срока действия и технического состояния дренажа. На тяжелых суглинистых почвах атмосферного водного питания дренажный сток периодичен и наблюдается в основном во время снеготаяния, в предпосевной период при близкой к поверхности верховодке и интенсивном выпадении большого количества осадков. При этом гидрографы стока в зависимости от количества выпавших осадков могут иметь несколько пиков. Однако наибольшие модули стока были зафиксированы во вневегетационный период, после окончания снеготаяния. Их величины изменялись в широких пределах (0,469-0,755 л/ста) в зависимости от климатических и погодных условий года, продолжительности работы и гидравлической проводимости дрен.
В среднем за годы исследований (1995-1998) модуль дренажного стока был наибольшим при малой продолжительности работы дренажа - 5-8 лет (участок 1). Здесь средний модуль дренажного стока за предпосевной и вегетационный периоды составил 0,127 л/ста.
Очистка дренажных труб от наилка на 5-й год действия дренажа обеспечивала увеличение модуля дренажного стока за годы исследований в среднем до 0,138 л/ста, или на 8,7%. Проведение глубокого рыхления осенью 1994 г. существенно сказалось на повышении модулей дренажного стока.
В среднем за 4 года модуль стока в варианте 2 составил 0,150 л/ста и был выше, чем на нерыхленных участках, на 18,1%. Причем в первый год действия глубокого рыхления (1995) модуль дренажного стока увеличился с 0,124 до 0,175 л/ста, или на 41,1 %. В последующие годы отмечалась тенденция снижения показателей дренажного стока по сравнению с нерых-ленными участками. На четвертый год действия (1998) эффективность глубокого рыхления резко снизилась. Если на дренированных почвах с обычной вспашкой модуль дренажного стока в среднем составил 0,123 л/ста, то на фоне глубокого рыхления он увеличился всего лишь до 0,138 л/ста, или на 3,8%.
Влияние глубокого рыхления почв на первом участке с действием дренажа 5— 8 лет прослеживается в течение трех лет. На четвертый год модули дренажного стока на рыхленных и нерыхленных почвах без очистки дрен были практически одинаковы. Такая же картина наблюдалась и на очищенных от ила дренах (вариант 4). При этом средний модуль дренажного стока за период наблюдений (апрель-сентябрь) за четыре года исследований на варианте 4 с глубоким рыхлением и очисткой дрен составил 0,166 л/ста и был выше на 0,016 л/ста, или на 10,7 %, по сравнению с вариантом 2 без очистки дрен. В первый год последействия глубокого рыхления эти показатели были значительно выше. Если из неочищенных дрен средний модуль дренажного стока составил 0,175 л/ста, то из очищенных дрен он увеличился до 0,190 л/ста, или на 8,6%. На четвертый год эти показатели на дренажной системе первого участка снизились до 0,138 л/ста и до 0,149 л/ста соответственно на неочищенных и очищенных от ила дренах. При этом эффективность действия очистки дренажа на фоне глубокого рыхления составила 8%.
Очистка дрен от заиления в первые 5-8 лет работы дренажа оказывает небольшое влияние на величину средних модулей дренажного стока (в среднем на 8,0-8,7 %). Однако проведение глубокого рыхления заметно увеличивает средние показатели модулей дренажного стока (на 10,7-18,1%). Примерно такая же картина наблюдалась и в величинах максимальных модулей дренажного стока. На дренированных почвах на фоне обычной вспашки их показатели составляли 0,642-0,657 л/ста и были выше средних величин примерно в 5 раз. На фоне глубокого рыхления эти величины возросли по сравнению с нерыхленными участками до 0,686-0,711 л/ста, или на 7,6%.
При увеличении продолжительности действия дренажа до 10-13 лет (участок 2) эффективность дренажных систем несколько снизилась по сравнению с участком 1, где продолжительность работы дренажа не превышала 8 лет. В среднем модуль дренажного стока за годы исследований (1995-1998 гг.) составил 0,106 л/ста (вариант 1). Очистка дрен от заиления обеспечила увеличение модулей дренажного стока в среднем до 0,18 л/га, или на 18%. По годам исследований эти изменения находились в пределах 15,1-21,4%.
Агромелиоративные мероприятия по использованию антропогенных почв
К антропогенным почвам относятся такие, которые сформировались под влиянием антропогенных факторов. Появление этих почвенных образований в условиях Белорусского Полесья является следствием деградации органогенного слоя осушенных маломощных торфяных почв в процессе интенсивного их использования. Важнейшие аспекты плодородия антропогенных почв обсуждались выше. Перспективы же их рационального использования отработаны на основании экспериментальных материалов, полученных в течение 1988-1999 гг. в опытном полевом стационаре, заложенном на Полесской опытной станции мелиоративного земледелия и луговодства (Лунинецкий район Брестской области).
В условиях Беларуси только около 10% торфяных почв подстилается связными минеральными породами, остальные - песчаными отложениями, не обладающими способностью связывать органическое вещество в устойчивые к разрушению органо-минеральные соединения. Образовавшиеся в таких условиях антропогенные почвы характеризуются песчаным гранулометрическим составом с неудовлетворительными водно-физическими свойствами, низкой емкостью поглощения и невысокой водоудерживающей способностью. Возникшие антропогенные почвы отличаются неустойчивым водным режимом корне-обитаемого слоя во времени и пространстве. Временное и пространственное варьирование почвенных влагозапасов в зоне аэрации находится в постоянной зависимости от обеспеченности вегетационного периода атмосферными осадками, режима почвенно-грунтовых вод, водоаккумулирующей емкости нового почвенного профиля.
Неоднородность водного режима обусловлена различным положением почвенно-грунтовых вод относительно дневной поверхности вследствие выраженного микро- и мезорельефа. На микроповышениях режим увлажнения постепенно переходит от атмосферно-грунтового к атмосферному. На микропонижениях, вследствие усадки и минерализации торфа, грунтовые воды, напротив, залегают ближе к дневной поверхности, что при условиях снеготаянии или обильном выпадении осадков приводит к переувлажнению корнеобитаемой зоны и даже подтоплению посевов.
Сильная расчлененность микрорельефа территорий, занятых сработанными торфяниками, усложняет стратегию управления водным режимом, не позволяет выдерживать оптимальные УГВ по всей площади. С процессом сработки торфяных почв, появлением комплекса антропогенно преобразованных почвенных разновидностей возникло несоответствие ранее построенной мелиоративной сети состоянию почвенного покрова и характеру использования. Антропогенные почвы экологически неустойчивы, а поэтому весьма изменчивы, продолжают обедняться органическим веществом, постепенно приобретая признаки зональных дерново-подзолистых почв легкого гранулометрического состава. К наиболее неустойчивым из них относятся антропогенные органоминеральные слабо- и среднеминерализо-ванные почвы. Только высокие уровни грунтовых вод и дерновый процесс (луговое использование) могут противодействовать быстрому переходу их к конечной стадии трансформации. Содержание органического вещества в антропогенных почвах составляет от 50% (в сильно оторфованных слабоминерализованных) до 5% и менее (в сильно минерализованных).
Антропогенные почвы вследствие своего песчаного гранулометрического состава обладают низкой устойчивостью к ветровой эрозии. Они содержат около 70% фракций эрози-онно-опасного размера (диаметром менее 0,1 мм). По своему потенциальному плодородию антропогенные почвы занимают промежуточное положение между торфяными и дерново-подзолистыми легкого гранулометрического состава. Уровень их плодородия оценивается в 20-40 баллов, что на 10-30 баллов ниже исходной торфяной почвы, на которой они сформировались, но все же несколько выше, чем зональной дерново-подзолистой легкого гранулометрического состава.
Предложено несколько вариантов классификации антропогенных почв (Белгосунивер-ситет, БелНИИ почвоведения и агрохимии, Институт проблем использования природных ресурсов и экологии НАН Беларуси), но единой согласованной классификации этих почв среди почвоведов пока не выработано /22,268/.
БелНИИ мелиорации и луговодства в зависимости от остаточного содержания органического вещества антропогенные минеральные почвы предлагает классифицировать на два основных подтипа: органоминеральные слабоминерализованные (остаточное содержание ОВ 50-30%) и среднеминерализованные (содержание ОВ 30-15%); минеральные остаточно торфяные, сильно минерализованные (содержание ОВ менее 15%).
Наиболее чувствительны к снижению уровней грунтовых вод и содержанию органического вещества в антропогенных почвах многолетние злаковые травы. Если на маломощной торфяной почве их урожай за годы исследований (1988-1999 гг.) по фону РК с азотом составил 98,7 ц/га сухого вещества, то на антропогенной минеральной снизился до 56,9 ц/га, или на 42,4%/201/. Несколько меньшее снижение продуктивности дают многолетние злаково-бобовые травы - 94,5 ц/га и 60,3 ц/га, или на 36,2%. Наименее чувствительны к степени трансформированности почв посевы клевера, где снижение продуктивности составило в тех же условиях 8,4%.
Относительно высокие урожаи на антропогенных почвах обеспечивают посевы озимой ржи (34,1-38,7 ц/га). Эта культура из группы зерновых менее других реагирует на снижение содержания в почве органического вещества. По сравнению с маломощным торфяником на антропогенной минеральной почве ее продуктивность снизилась на 8,9% при применении азотных удобрений и на 19,7% без применения азота. Высокую продуктивность на антропогенных почвах обеспечивают посевы озимой ржи на зеленый корм с поукосным возделыванием однолетних злаково-бобовых смесей. В среднем за годы исследований с таких посевов собрано по 68,2-79,4 ц/га сухого вещества по последействию и 82,9-95 ц/га с дополнительным применением азота (30 кг д.в./га). Сработка органического вещества для этой комбинации культур снижает их продуктивность на 11— 17%.
Посевы ячменя острее, чем озимая рожь, реагируют на уменьшение содержания в почве органического вещества. Урожайность ячменя на антропогенных почвах составляет 23,1-33,1 ц/га без применения азота и 27,4-38,6 ц/га с применением, или соответственно на 37,9 и 35,7% ниже, чем собрано с этих посевов на маломощном торфянике. Примерно равноценные с ячменем урожаи на этих почвах дают посевы овса (24,8-34,6 ц/га без применения азота и 30,2-34,7 ц/га с применением), аналогичная с ячменем и степень снижения урожайности с убылью количества органического вещества. Достаточно высокую и устойчивую по годам продуктивность обеспечивают на антропогенно преобразованных почвах посевы кукурузы: 74,7-75,9 ц/га сухого вещества без применения и 101,8-103,6 ц/га с применением азота. Эта культура при сбалансированном минеральном питании практически не реагирует на степень сработки остаточных запасов органического вещества.
