Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Система обеспечения водными ресурсами орошаемых земель верхнего течения реки Сырдарьяв пределах Ферганской долины 11
1.1. Развитие системы водопользования в Ферганской долине 12
1.2. Принципы управления водными ресурсами в советский период 15
1.3. Принципы управления водными ресурсами в постсоветское время 19
1.4. Развитие принципов интегрированного управления водными ресурсами в Ферганской долине 25
Глава 2 Ландшафтообразующие факторы и современные ландшафты Ферганской долины
2.1. Особенности морфологического строения 30
2.2. Климатические условия 33
2.3. Особенности речной сети и стока 37
2.4. Современные ландшафты 49
2.5. Геоэкологические проблемы землепользования в Ферганской долине в связи с ее нестабильным водообеспечением 63
Вторичное засоление почв 63
Подтопление 69
Эрозия и дефляция почв 71
Глава 3 Методика построения ГИС «Распределение водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины» и анализ полученных результатов 72
3.1. Выявление факторов и условий возникновения дефицита воды на орошаемых землях в Ферганской долине 72
Уровень трансграничной обеспеченности 73
Последовательность поступления воды на орошаемые поля и оросительные нормы 77
КПД техники полива 81
Структура посевов 83
3.2. Формирование ГИС «Распределение водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины»
Построение ГИС ирригационного комплекса 90
Визуализация распределения водных ресурсов по орошаемым полям 91
Расчет водопотребления 95
Глава 4 Оценка перспектив повышения эффективности системы распределения и использования водных ресурсов Ферганской долины 101
4.1. Влияние трансграничной водообеспеченности на дефицит воды на орошаемых землях Ферганской долины 106
4.2. Оптимизация последовательности распределения водных ресурсов, дифференциация оросительных норм и повышение КПД техники орошения 109
4.3. Значение диверсификация посевов на орошаемых землях Ферганской долины
4.4. Оценка риска возникновения дефицита воды для орошения в ландшафтах Ферганской долины 113
Ландшафты с невысоким дефицитом водных ресурсов для орошения сельскохозяйственных угодий 119
Ландшафты с умеренным дефицитом водных ресурсов для орошения сельскохозяйственных угодий 119
Ландшафты с повышенным дефицитом водных ресурсов для орошения сельскохозяйственных угодий 121
Ландшафты с высоким дефицитом водных ресурсов для орошения сельскохозяйственных угодий 122
Ландшафты с очень высоким дефицитом водных ресурсов для орошения сельскохозяйственных угодий 123
4.5. Исследование пространственной связи дефицита воды с засолением и подтоплением в Ферганской долине 124
Результаты и выводы 131
Использованная литература
- Принципы управления водными ресурсами в постсоветское время
- Геоэкологические проблемы землепользования в Ферганской долине в связи с ее нестабильным водообеспечением
- Последовательность поступления воды на орошаемые поля и оросительные нормы
- Значение диверсификация посевов на орошаемых землях Ферганской долины
Введение к работе
Актуальность темы. Положение гена на хромосоме играет важную роль в изменении признаков и эволюции организмов (Rockman et al., 2010). Знания о физическом положении генов на хромосоме позволяют прогнозировать возможность их переноса от одного генотипа к другому, ускорять процесс поиска и клонирования новых генов, судить о коллинеарности и синтении геномов, определять размеры селекционной популяции, время и экономические затраты на получение нужных форм.
Геномы лишь небольшого числа растений были полностью секвенированы и собранны, предоставляя наиболее полную информацию о физическом положении генов. Для подавляющего большинства видов растений полный сиквенс генома пока остается недоступным. Более того, часто конечный вариант сиквенса генома имеет неточности в положении контигов и скэффолдов (Shearer et al., 2014). Методы молекулярной цитогенетики позволяют визуализировать на хромосомах различные ДНК последовательности и тем самым устанавливают их точную физическую локализацию в геноме. Флуоресцентная in situ гибридизация (FISH) - основной метод молекулярной цитогенетики. Главным недостатком FISH является низкая чувствительность, 5-10 тыс.п.н. (Valarik et al., 2004). В то время как средняя длина генов растений меньше 4 тыс.п.н. (Jaillon et al. 2007; Ling et al. 2013; Rice Chromosome 10 Sequencing Consortium., 2003).
Главные составляющие успешного физического (молекулярно-
цитогенетического) картирования коротких ДНК фрагментов на хромосомах растений являются: 1) высококачественные препараты хромосом; 2) система детекции сайтов гибридизации; 3) качество ДНК пробы, которая гибридизуется только в одном локусе; и 4) питогенетические маркеры для идентификации индивидуальных хромосом. При этом определяющим фактором остаётся качество приготовленных препаратов хромосом, которое определяет 70% успеха физического картирования. Однако, современные методы приготовления препаратов требуют большого опыта и очень трудоёмки, что делает процесс приготовления препаратов «больше искусством, чем наукой» (В arch et al., 1997).
Для преодоления этого ограничения FISH был создан метод Tyramide-FISH (Raap et al. 1995), который позже был впервые применен для хромосом растений (Khrustaleva and Kik, 2001). Однако, из-за низкой частоты встречаемости сигнала по хромосомам и низкой воспроизводимости результатов в разных лабораториях и на разных видах растений (Jiang and Gill, 2006), Tyramide-FISH не был широко использован на хромосомах растений. Главными причинами этого являются ограниченные знания о факторах, влияющих на реакцию Tyramide-FISH, и отсутствие работ по оптимизации данного метода на хромосомах растений.
Физическое картирование хромосом затруднительно без знания кариотипа растения и возможности проводить идентификацию отдельных хромосом кариотипа. Морфологические признаки хромосом (центромерный индекс и относительная длина) предоставляют ограниченную информацию, которая для многих растений (часто растений с мелкими хромосомами) не позволяет эффективно отличать хромосомы кариотипа. В связи с этим актуальной является задача поиска новых цитогенетических маркеров хромосом растений. Среди всех известных типов цитогенетических маркеров FISH-маркеры хромосом растений открывают широкие возможности для специфичной идентификации хромосом.
Сочетание чувствительной системы детекции сайтов гибридизации, методов приготовления качественных препаратов хромосом растений и ДНК проб совместно с
использованием FISH-маркеров для идентификации хромосом растений формируют необходимую методологическую платформу для эффективного физического картирования генов на хромосомах растений.
Цель работы. Цель работы - повысить эффективность Tyramide-FISH, создать необходимую платформу (система детекции + метод приготовления препаратов + система цитогенетических маркеров) для физического картирования коротких фрагментов генов (1000 - 3000 п.н.), применить эту технологию на хромосомах видов Allium и Rosa wichurana, создать физические (хромосомные) карты и провести интегрирование физических и генетических карт этих видов.
Задачи работы:
1. Создать высокоэффективный и универсальный метод приготовления митотических
метафазных и пахитенных хромосом растений с использованием видов с крупными
геномами и хромосомами (виды рода Allium) и видов с мелкими хромосомами и
малым размером генома (виды рода Rosa).
2. Провести клонирование фрагментов генов Rosa wichurana и Allium сера длиной не
менее 550 п.н..
-
Оценить влияние способа приготовления препаратов с использованием разных концентраций уксусной кислоты на частоту встречаемости сигнала после Tyramide-FISH с геном аллиназы корня 1 (1100 п.н.) на хромосомах А. сера.
-
Оптимизировать и сравнить прямую и непрямую системы детекции Tyramide-FISH на хромосомах А.сера и Rwichurana.
-
Провести оптимизацию высокоразрешающей и многоцветной Tyramide-FISH на хромосомах Rwichurana.
-
Провести картирование генов (гены семейства аллиназ и ген синтазы фактора слезотечения), вовлеченных в синтез сульфурорганических соединений, на хромосомах А.сера, A.fsitulosum и их близкородственных видов (A.vavilovii, A.schoenoprasum, A.altaicum).
-
Провести Tyramide-FISH картирование генов, вовлеченных в ответ растения на биотический и абиотический стрессы, на митотических и пахитенных хромосомах Rwichurana.
-
Провести генетическое картирование генов Rwichurana с помощью метода высокоразрешающего плавления (HRM).
-
Провести интегрирование рекомбинационной и хромосомной карт А.сера и Rwichurana.
10. Провести поиск молекулярно-цитогенетических маркеров для хромосом Rwichurana
и A.fsitulosum с использованием данных секвенированния следующего поколения и
биоинформатического анализа, и FISH выявления специфических паттернов
гибридизации.
Научная новизна. Впервые изучена динамика разброса хромосом растений в процессе приготовления препаратов и установлены факторы, влияющие на структуру и разброс хромосом. Впервые показано, что эффективность Tyramide-FISH зависит от концентрации уксусной кислоты, используемой для приготовления препаратов хромосом. Идентифицированы повторяющиеся ДНК последовательности и на их основе разработаны эффективные системы цитогенетического маркирования хромосом А. fistulosum (новые повторы НАТ58 и AfiT32) и R. wichurana (теломерный повтор (GGGATTT)n). Впервые проведено интегрирование генетической и физической карт Rwichurana. С помощью Tyramide-FISH впервые показаны различия в гомеологичных
хромосомах 4 A.cepa и A.fistulosum, обусловленные перицентрической инверсией и транслокацией/делецией.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанный высокочувствительнй метод позволит ускорить физическое картирования генов и интегрирование генетических и физических карт исследуемых видов. Данные результаты являются ценной информацией для проектов по секвенированию генома A.cepa () и Rosa (Foucher et al. 2013), так как позволят ускорить и верифицировать сборку геномов. Эта информация послужит важной основой для изучения синтении и коллинеарности между близкими видами внутри рода Allium и семейства Rosaceae, а также позволит более эффективно проводить клонирование генов, основанное на карте (от анг. map based cloning). Так же разработанный протокол многоцветной Tyramide-FISH с высоким разрешением позволяет существенно расширить возможности метода Tyramide-FISH.
Разработанный метод приготовления препаратов митотических метафазных и пахитенных хромосом ("SteamDrop") был успешно испытан на 28 видах растений, что указывает на его высокую адаптивность и возможность использования для многих видов растений. Метод имеет ряд преимуществ, таких как хороший разброс хромосом, мягкий режим обработок, максимально сохраняющий структуру хромосом, простота и быстрота приготовления препаратов, долгое хранение суспензии клеток без потерь качества препаратов. Разработанная система цито генетических маркеров для A.fistulosum, основанная на FISH с новыми тандемными повторами НАТ58 и AfiT32, и для Rwichurana, основанная на FISH с (GGGATTT)8 теломерным повтором, делает возможным высокоразрешающее физическое картирование на мейотических хромосомах, идентификация которых у луков и роз невозможна без использования молекулярно-цитогенетических маркеров.
Методология и методы диссертационного исследования. Работа выполнена с использованием современного оборудования и молекулярно-биологических и молекулярно-цитогенетических методов, разработанных ведущими учеными мира. Результаты статистически обработаны.
Положения, выносимые на защиту
-
Метод "SteamDrop" - универсальный и эффективный метод приготовления хромосом растений, подходящих для in situ детекции уникальных и повторяющихся последовательностей ДНК.
-
Использование пониженной концентрации уксусной кислоты для приготовления препаратов существенно повышает эффективность физического картирования генов Tyramide-FISH.
-
Фрагменты генов длиной от 1000 п.н. могут быть эффективно картированы на хромосомах Rwichurana и видов Allium, приготовленных с помощью "SteamDrop", используя оптимизированные системы детекции Tyramide-FISH.
-
НАТ58 - новый высококопийный (160.000 копий/ІС) тандемный повтор генома A.fistulosum.
-
Созданы системы цитогенетических маркеров для хромосом Rwichurana и A.fistulosum.
-
С помощью Tyramide-FISH проведено картирование хозяйственно-ценных генов на крупных хромосомах A.cepa, A.fsitulosum, A.vavilovii, A.schoenoprasum, A.altaicum и мелких хромосомах Rwichurana.
-
Проведено интегрирование генетических и физических карт А. сера и Rwichurana.
8. Инверсия участка хромосомы привела к различиям между гомеологичными хромосомами 4 А.сераиА./situlosum.
Степень достоверности и апробация результатов. Результаты работы
опубликованы в 35 печатных работах, в том числе 11 статьях в рецензируемых
международных (8) и отечественных (3) журналах из списка ВАК. Ключевые
результаты работы были доложены на международных и российских форумах и
конференциях, в том числе: XI молодежная научная конференция «биотехнология в
растениеводстве, животноводстве и ветеринарии» (Москва, 2011); XVIII
международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2011 г.); 35th conference of agricultural students and veterinary medicine with international participation (Сербия, 2011); XIV молодежная научная конференция «биотехнология в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии» (Москва, 2011); 2-я Международная школа-конференция молодых учёных (Звенигород, 2011 г.); 6th International symposium on Edible Alliaceae (Япония, 2012 г.); 19і International Chromosome Conference, (Италия, 2013); Journees Cytogenetique et Polyploi'die, (Франция, 2013); 7th International symposium on Edible Alliaceae (Турция, 2015 г.); Plant molecular cytogenetics in genomic and postgenomic era (Польша, 2014), 3-я Всероссийская научно-практическая конференция по геномному секвенированию (NGS-2015, Москва, 2015); XXVth International Symposium of the EUCARPIA Section Ornamentals "Crossing borders" (Бельгия, 2015).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 35 работ.
Объем и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 172 страницах машинописного текста и включают 44 рисунка, 22 таблицы. Диссертация состоит из разделов «Введение», «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты и обсуждение», «Заключение», «Выводы» и «Список литературы». Список литературы включает 293 источника, из них 290 иностранных.
Принципы управления водными ресурсами в постсоветское время
Первые очаги орошаемого земледелия в Ферганской долине датируется периодами бронзового и железного веков. Расселение первобытных общинных племен происходило вдоль Карадарьи, Нарына и их крупных притоков, где были сооружены первые каналы, отводящие воду из основного русла на низменные территории. На речных террасах рек Карадарьи, Куршаба, Талдыка, Акбуры, Кугарта для орошения полей использовались подземные источники и ключи, не имеющие сезонности в расходах воды [Starr, 2011].
В книгах китайских путешественников II в. до н.э. отмечалась масштабность ферганских каналов, а позже арабские географы рассказывали о Ферганской долине как о регионе с невероятно развитой для тех времен ирригационной системой. В XVIII-XIX вв. во время расцвета Кокандского ханства произошло значительное расширение орошаемых земель. Строительство каналов осуществлялось вблизи крупных городов - главных центров Кокандского ханства. На юго-востоке Ферганской долины был сооружен грандиозный для тех времен Шахрихансайский канал, отводящий воду из реки Карадарья. Этот канал оставался самым большим в долине вплоть до 1940-х гг. [Starr, 2011].
В XX в. с целью развития сельскохозяйственного комплекса Ферганской долины, исторического центра земледелия в Средней Азии, советским правительством были разработаны крупномасштабные проекты по обводнению территорий путем сооружения ирригационных каналов, а также водохранилищ многолетнего режима регулирования для ирригационных целей.
В 1930-1940-х гг. во всех республиках Средней Азии были выполнены комплексные исследования водно-энергетического потенциала и начата крупномасштабная кампания по освоению водных ресурсов. Был введен в эксплуатацию Большой Ферганский канал, перенаправлявший водные потоки из р. Нарын в южную часть долины. Позже были построены Южный Ферганский канал, ставший продолжением Шахрихансайского канала, и Северный Ферганский канал, орошающий поля высоких правых берегов рек Нарын и Сырдарья [Bichsel, 2008].
В тот же период в верхнем течении реки Карадарья была построена Кампырраватская плотина, предназначенная для распределения стока реки Карадарья между магистральными каналами Шахрихансай, Андижане ай и Савай [Bichsel, 2008]. Позже, в 1970-х гг., на ее месте была возведена Андижанская ГЭС мощностью 140 МВт, которая после распада СССР оказалась в Узбекистане, а ее водохранилище полностью расположено на территории Кыргызстана [Петров, 2011].
В послевоенные годы стратегия Советского Союза по водопользованию была направлена на расширение орошаемых земель в бассейне Аральского моря. В среднеазиатских советских республиках были развернуты крупномасштабные работы по освоению целинных земель (Каракум, Чуйская долина, дельтовые зоны Сырдарьи и Амурдарьи, Голодная степь и т.д.). Непосредственно в Ферганской долине были проведены работы по расширению Большого Ферганского канала, построена система Большого Андижанского и Большого Наманганского каналов.
Быстрое развитие сельского хозяйства привело к тому, что уже в 1960-х гг. отвод воды на ирригацию из реки Сырдарья был настолько интенсивным (около 30 млрд куб. м), что в засушливые годы ирригационные потребности превышали общий сток. Появившийся дисбаланс водопотребления и доступных водных ресурсов являлся сдерживающим фактором экономического развития региона, что обусловило необходимость сооружения водохранилищ, которые позволили бы регулировать многолетний сток в верхней части бассейна реки Сырдарья.
В 1975 г. в нижнем течении реки Нарын было завершено строительство Токтогульского водохранилища многолетнего режима регулирования с комплексом нижерасположенных каскадных водохранилищ суточного регулирования. В этом амбициозном проекте предполагалось введение в эксплуатацию ГЭС на каскаде водохранилищ общей установленной мощностью 2870 МВт: Токтогульская ГЭС - 1200 МВт, Курпсайская ГЭС -800 МВт, Ташкумырская - 450 МВт, Шамалдысайская - 240 МВт, Ускурганская -180 МВт [Касымова, 2010; Петров, 2011].
В предгорной зоне на реке Карадарья в 1980 г. было сооружено Андижанское водохранилище, воды которого использовались для регулирования расходов по ирригационным системам центральной и южной территории Ферганской долины (Южный Ферганский и Большой Ферганский каналы).
Строительство гидротехнических сооружений в верхней части бассейна реки Сырдарья в 1970-1980 гг. позволило, в первую очередь, снизить риски нехватки воды для ирригации путем накопления воды во влажные годы и попуска накопленной воды в засушливые годы, а также обеспечило регион дополнительной дешевой гидроэнергией. Расширение ирригационной сети, строительство насосных станций для поднятия воды в предгорья долины и строительство малых водохранилищ сезонного регулирования способствовало освоению целинных земель и расширению орошаемой площади сельскохозяйственных угодий.
К концу 1980-х гг. зарегулированность стока реки Сырдарья превысила 90%. Равномерность стока в бассейне обеспечивалась за счет комплексного и согласованного использования всех водохранилищ путем внутрисистемной переброски стока от «верхних» водохранилищ к «нижним». Так, Токтогульское водохранилище использовалось для обеспечения ирригационных потребностей на участке между Токтогульским и Кайраккумским водохранилищами, а Кайраккумское обеспечивало водой среднее течение реки Сырдарья. Дополнительные попуски Токтогульского водохранилища использовались для транзита воды в среднюю и нижнюю часть бассейна только при ее дефиците в нижележащих водохранилищах.
Геоэкологические проблемы землепользования в Ферганской долине в связи с ее нестабильным водообеспечением
В межгорных пространствах на юге Ферганской долины, сложенных суглинками и гравийно-галечниковыми отложениями, распространены ландшафты межгорных аллювиально-пролювиальных равнин, сложенных суглинками, гравийно-галечниковыми отложениями, с эфемероидно-полынной растительностью на типичных сероземах (вид 5, см. рис. 2.3.). Межгорные равнины прорезаны руслами полноводных рек Исфара, Сох, Шахимардан, Исфайрам, Араван, Акбура, стекающих с северных склонов Алайского хребта и характеризующихся ледниково-снеговым типом питания с пиком половодья в июне. Водные ресурсы этих рек полностью разбираются на орошение за счет сооружения многочисленных водоотводящих каналов и не доносят своих вод до устья.
Современные конусы выноса, окаймляющие Ферганскую долину, занимают значительную часть рассматриваемой территории. Главной особенностью территорий слившихся конусов выноса, по которым протекают реки Нарын, Майлису, Караункурсай и Кугарт, расположенных в предгорьях Ферганского хребта, является хорошее атмосферное увлажнение. Здесь на ландшафтах плоских пролювиально-аллювиальные равнин, сложенных супесями, легкими суглинками и лессовыми отложениями, подстилаемыми галечниками, с эфемерной и эфемероидной растительностью на светлых сероземах (вид 6, см. рис. 2.3.), расположены очаги древнего орошаемого земледелия. Описываемый вид ландшафта также характерен для отчетливо выделяющихся в рельефе Исфариского и Сохского конусов выноса, а также для конусов выноса северной подошвы склонов пологих низкогорьев юго-восточной части Ферганской долины.
На периферийных частях Исфарамсайского, Сохского, Шахимарданского характерны ландшафты конусов выноса, сложенных тяжелосуглинистыми и глинистыми отложениями, подстилаемых галечником, с лугово-галофитной растительностью на луговых сазовых почвах (вид 7, см. рис. 2.3.). Древнеаллювиальные равнины реки Сырдарья занимают центральные территории Ферганской долины севернее и северо-восточнее от Сохского конуса выноса. В условиях широкого распространения солончаков, наличия сбросных озер и болот характерны ландшафты древнеаллювиальных равнин третьей надпойменной террасы, сложенных тяжелыми суглинками и глинами, с злаковыми галофитными лугами на луговых почвах и солончаках (вид 8, см. рис. 2.3.), а также при скоплении эоловых песков - ландшафты эоловых равнин, сложенных песками и супесями с псаммофитной растительностью на песчаных почвах (вид 9, см. рис. 2.3.).
Аллювиальные равнины Ферганской долины представлены комплексами надпойменных террас и поймами рек Сырдарья, Нарын и Карадарья. В пределах молодых надпойменных террас реки Сырдарья и ее притоков распространены ландшафты аллювиальных равнин молодых надпойменных террас, сложенных тяжелыми суглинками и глинами, со злаково-тростниковой растительностью на луговых, болотно-луговых и болотных аллювиальных почвах в условиях избыточного почвенно-грунтового увлажнения (вид 10, см. рис. 2.3.).
Вдоль современного русла реки Сырдарья развиты типичные ландшафты пойм, сложенных тяжелыми суглинками, глинами, супесями и песками, с тугайной растительностью на луговых болотных и поименно-аллювиальных почвах (вид 11, см. рис. 2.3.).
До 1930-х гг. центральная часть была занята в основном целинными землями. Природно-антропогенные ландшафты орошаемого земледелия были распространены на северо-восточной периферии Сохского конуса выноса и в пределах древнеаллювиальной долины Сырдарьи в виде разрозненных участков. Они занимали около 16,5 тыс. га, преимущественно территории с луговыми и болотными почвами [Маскудов 1979]. Орошаемые площади были значительно расширены за счет освоения древнеаллювиальной долины реки Сырдарья, периферических частей конусов выноса. Площадь орошаемых земель в основном увеличилась за счет сокращения равнинных ландшафтов с солончаками, болотно-луговыми и луговыми почвами. Почти вся площадь такыров подверглась орошению. В результате эти почвы практически исчезли, они встречаются лишь в виде мелких пятен среди песчаных пространств центральной части долины [Маскудов, 1979]. Таким образом, в условиях Ферганской долины в результате орошения и мелиорации, снижения качества исходных свойств почв произошла трансформация природных ландшафтов в природно-антропогенные ландшафты орошаемого земледелия.
В пределах видов ландшафтов были выделены антропогенные сельскохозяйственные модификации ландшафтов (Легенда к Карте современных ландшафтов Ферганской долины, табл. 2.2.) на основе использования дистанционных данных Landsat7, а также материалов экспедиции в Ферганскую долину в рамках проводимого исследования. Для дифференциации ландшафтных комплексов с учетом требований в воде для орошения в исследовании при составлении Карты современных ландшафтов Ферганской долины (рис. 2.3.) были использованы данные карты гидромодульного районирования территории (раздел 3.2) для выявления наиболее характерных ГМР в пределах всех антропогенных модификаций.
Для сельскохозяйственных модификаций ландшафтов по почвенно-мелиоративным условиям территории были определены площади распространения выделенных ГМР и был выявлен преобладающий тип ГМР. Средние оросительные нормы рассчитаны на примере хлопчатника как культуры наиболее характерной и распространенной в пределах Ферганской долины. Величина средней оросительной нормы хлопчатника в пределах выделяемых сельскохозяйственных модификаций является количественной характеристикой, которая позволяет пространственно дифференцировать ландшафты и их сельскохозяйственные модификации по потребностям в воде на орошение (табл. 2.3).
Последовательность поступления воды на орошаемые поля и оросительные нормы
К потерям воды из оросительной сети первого порядка (Vl) относят потери на испарение, а также на инфильтрацию. По оценкам специалистов НИЦ МКВК эффективность оросительной системы Ферганской долины составляет порядка 50-65% [Рысбеков, 2012]. Для расчетов водопотребления в модели КПД оросительной сети установлен в верхнем пределе 65%.
Поправочный коэффициент (к) вводится для учета водозабора на неирригационные нужды, потерь воды при проведении полива (КПД техники полива) и повторного использования коллекторно-дренажных вод.
КПД техники полива рассчитывается как отношение объема воды, поступившей в корнеобитаемый слой (Q нетто), к объему поданной воды (Q6pyTTo):
КПД техники полива= Q нетто/ Q брутто.
Неправильный выбор техники полива, а также отсутствие научно-обоснованного подхода к определению оптимальных сроков и объемов поливов приводят к увеличению водозабора на орошение, потерям воды и снижению эффективности ее использования. Для расчетов водопотребления КПД техники полива может быть определен в пределах от 0 до 100%. Например, если КПД равен 65%, это означает, что на поля поступает на 35% больше воды, чем реально расходуется при эвапотранспирации.
Коэффициент использования коллекторно-дренажных вод вводится для учета в водозаборе методики водооборота, когда собранные с полей коллекторно-дренажные воды вторично направляются на поля. Интенсивность водозабора коллекторно-дренажных вод изменяется по годам в зависимости от условий водообеспеченности. В засушливые годы при дефиците воды в каналах водозабор коллекторно-дренажных вод на орошение повышается до 10%, при благоприятных условиях водообеспеченности составляет 2-5 % (рис. 3.9). MM
Узбекистана за период 2000-2012 гг., составлено автором по данным НИЦ МКВК. Коэффициент водозабора на неирригационные нужды рассчитан на основе статистических данных по водозабору в Ферганской долине за 1980 2000 гг. в пересчете на единицу орошаемой площади. Крупнейшим потребителем водных ресурсов в Ферганской долине является орошаемое земледелие, потребляющее 93 % воды (табл. 3.5). Затраты воды на коммунально-бытовой и промышленный сектор незначительны, однако с ростом численности населения, развитием экономики имеются основания для повышения доли водозабора в этих секторах. В модели «Распределение водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины» объем воды для неирригационных нужд определен как 6% общего водозабора (табл. 3.5), что в пересчете на единицу орошаемой площади составляет 560 куб. м на гектар.
Среднее по долине 4 2 93 Определение для каждого канала объема воды, необходимой для удовлетворения потребностей подвешенной к нему территории, производилось путем суммирования общего водозабора с каждого полигона поля, орошаемого данным каналом. Однако, пропускная способность каналов и наличие доступных в нем ресурсов может не соответствовать потребностям этой территории.
Для определения доли земель, потребности которых в воде не обеспечиваются техническими возможностям каналов, поочередно (в соответствии с присвоенными индексами очередности поливов) проводилось вычитание необходимого количества воды для полигона Vn из поступаемого объема воды W(n-1): Wn=W(n-l)-Vn.
Для тех полигонов полей, потребность которых в воде Vn превышала доступные ресурсы W(n-1), то есть Wn 0, в расчетном файле Excel присваивался признак «-1»; для тех полигонов полей, у которых Wn 0 -признак «1».
Если пропускаемый объем воды через канал в конкретный год меньше необходимого, то дефицит воды определялся по величине (доле) площади, которая недополучит влагу при последовательном ее распределении по полигонам в соответствии с присвоенными ранее индексами очередности полива. Например, за вегетационный сезон 1987 года средний расход воды у изголовья Большого Андижанского канала составил 30 м куб./сек, вместо среднего многолетнего сезонного расхода 60 м куб./сек. Таким образом, в канал поступило 464 млн м куб. воды за рассматриваемый период. Вычитая поочередно, в соответствии с номерами полигонов, необходимое количество воды для каждого полигона из поступаемого количества воды, можно вычислить до какого полигона воды будет достаточно (табл. 3.6). Табл. 3.6
Табл. расчетов была экспортирована в базу данных Access, где был составлен запрос по двум основным показателям: индикационный номер каждого полигона (Object ID) и соответствующий ему признак (табл. 3.6). Табл. сформированного запроса в программе ArcGIS была присоединена к атрибутивной информации слоя «Распределение орошаемых земель по ирригационным каналам». Созданная копия слоя была переименована в новый слой: «Распределение водных ресурсов при орошении земель в Ферганской долине», для которого было произведено изменение параметров отображения на отображение уникальных значений по полю «Признак»: желтым цветом обозначены полигоны с признаком «-1», голубым цветом - с признаком «1». На основе полученной визуализированной информации были сформированы прогнозные карты распределения водных ресурсов при орошении для Ферганской долины при 18 различных сценариях использования водных ресурсов (приложение 3).
Разработанная ГИС «Распределение водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных угодий Ферганской долины» позволяет выявить районы с наибольшим риском недостатка водных ресурсов при реализации различных сценариев, сформированных на основе комбинации описанных факторов и условий возникновения водного дефицита в Ферганской долине.
Одним их основных результатов исследования является определение следующих показателей изменения в системе водопользования при рассматриваемых сценариях: величина объема воды (млн куб. м), необходимая для обеспечения водными ресурсами выращиваемых культур; величина объема воды (млн куб. м), поданного на поля для обеспечения выращиваемых культур в водных ресурсах; доля (%) сельскохозяйственных земель, недополучающих воду на орошение.
Сравнительный анализ этих показателей для каждого из 18 сценариев (рис. 3.1.) позволит оценить эффективность исторически сложившейся системы водопользования в Ферганской долине, а также определить возможные пути ее оптимизации, что особенно важно при разрушении единой региональной системы систему управления водными ресурсами бассейна реки Сырдарья.
Значение диверсификация посевов на орошаемых землях Ферганской долины
Показано, что даже при наименее благоприятном сценарии «ВЗ+П1+К1+С1» (условные обозначения см. рис. 3.1.) площади засоления заметно превышают территории с дефицитом воды для орошения. Несоответствие распространения засоления дефициту воды позволяет нам выделить два типа территорий с засолением: 1 - где засоленные земли «попадают» в ареал дефицита воды, и 2 - где засоленные земли расположены в ареалах достаточного водообеспечения. Для каждого такого типа территорий имеется свое объяснение возникновения засоления.
К первому типу территорий относятся центральные части Ферганской долины с ареалами засоления в зоне функционирования Большого Андижанского канала, соответствующим землям, недополучающим водные ресурсы на орошение (рис. 4.4). Для таких территорий засоление земель может быть объяснено следующими факторами: 1) отсутствие промывок почв: хронический дефицит водных ресурсов ограничивает возможности фермерских хозяйств по вымыванию солей из почв. Лимит водных ресурсов расходуется на полив возделываемых культур, и только оставшиеся объемы (при их наличии) расходуются на промывку после вегетационного периода. 2) использование для орошения вторичных коллекторно-дренажных вод: дополнительным источником солей в районах недостаточного водообеспечения являются воды из коллекторно-дренажных систем со средней минерализацией 2,8 г/л [НИЦ МКВК]. Объемы использования коллекторно-дренажных вод в неблагоприятный по водообеспеченности год (например, 2011 г.) могут достигать 15 % от общего водопотребления в орошении (рис. 3.9.). Распространение процессов засоления на территориях, отнесенных ко второму типу, где дефицит водных ресурсов не наблюдается (рис. 4.4.), объясняется такими факторами, как:
1) низкая эффективность работы коллекторно-дренажных систем: везде отмечается подтопление в областях затрудненного естественного оттока грунтовых вод из-за ухудшения технического состояния коллекторно-дренажной сети, что обуславливает развитие процессов засоления. По данным ФАО [Irrigation..., стр. 71] в советский период в Кыргызстане на 14 % орошаемых земель имелась специально оборудованная дренажная система, в Таджикистане -на 47 %, в Узбекистане - на 66 %. Преимущественно, это были системы открытого горизонтального дренажа, закрытый горизонтальный дренаж и вертикальный дренаж с применением насосов встречались редко. Отсутствие значительных капиталовложений в подержание существующей коллекторно-дренажной сети и связанный с этим неэффективный водоотвод приводит к активизации засоления, особенно, в орошаемых ландшафтах конусов выноса и древнеаллювиальных равнин в областях затрудненного оттока грунтовых вод (виды 7,8 рис. 2.5). Это объясняет развитие засоления в пределах орошаемых ландшафтов конусов выноса в средней части зоны функционирования Большого Ферганского канала.
2) избыточное потребление воды на полях при ее неэффективном перераспределении: нарушение оросительных и поливных норм, значения которых превышают реальные потребности территории в поливе, приводит к повышению уровня грунтовых вод, не отводимых с полей, что вызывает подтопление и активизирует процессы засоления. Завышение оросительных норм связано с применением неправильных методик по расчету необходимых объемов воды для возделываемых культур или вообще игнорировании таковых. В хозяйствах отсутствует обновленная информация об уровне грунтовых вод, соответственно имеются затруднения по назначению оптимальных оросительных норм.
Для оценки риска подтопления орошаемых земель и, как следствие, засоления мы использовали расчет осредненных оросительных норм в Ферганской долине и сравнивали их с показателем средневзвешенных оросительных норм, который вычисляется на основе мозаики гидромодульных районов полигона там внизу есть кусок с пояснением полигонов, т.е. учитывает глубину залегания грунтовых вод и гранулометрический состав почв на данном конкретном участке. Методика выделения полигонов, привязанных к ирригационным каналам, и их гидромодульного районирования подробно рассмотрены в главе 3.2. Расположение всех 560 полигонов и ландшафтная структура территории показаны на рис. 3.8. В основе этого подхода лежит предположение, что при отсутствии достоверной информации о мелиоративном состоянии участка фермер будет ориентироваться на осредненные (исторические) нормы полива. Если мелиоративные условия его участка значительно хуже, чем в среднем в Ферганской долине, т.е. больше доля участков с близким залеганием грунтовых вод и/или тяжелым механическим составом, чем в среднем в долине, то велика вероятность подтопления.
Средняя (по факту) норма орошения в долине составляет 6000 куб. м на 1 га. Мы предполагаем, что если этот показатель превышает на 20% необходимую (оптимальную) величину, то полигон находится в зоне высокого риска затопления. Это означает, что некоторые части полигона, получив избыточную воду, будут подтоплены из-за близкого залегания грунтовых вод и тяжелого гранулометрического состава. Если разница между двумя показателями составляет 40%, то мы относим полигон к зоне очень высокого риска подтопления. К территориям с высоким риском подтопления (рис. 4.5.) относятся орошаемые земли с преобладанием суглинистых и глинистых почв и залеганием грунтовых вод на уровне 2-3 м (5 гидромодульный район), где избыток поливов составляет 20 % (6000 куб. м на 1 га вместо рекомендуемых, например, для хлопчатника 4900 куб. м) (см. табл. 3.2.). Это земли в пределах ландшафтов аллювиальных равнин молодых надпойменных террас (VII 10 О, VII 10 П), Сохского и Исфаринского конусов выноса на юге долины (V 7 И), а также пахотных сельскохозяйственных модификаций ландшафтов пойм рек Сырдарья и Карадарья(VII IIP).
К территориям с очень высоким риском подтопления (рис. 4.5.) относятся орошаемые земли с преобладанием суглинистых и глинистых почв и залеганием грунтовых вод на уровне 1-2 м (7 гидромодульный район), где избыток поливов -около 40 % при современных условиях водопользования и среднем потреблении воды 6000 м куб./га вместо 3500 м куб./га (для хлопчатника) (см. табл. 3.2). Это земли, расположенные в пределах ландшафтов древнеаллювиальных равнин (V 18 Л, V 18 М) и Исфарамсайского и Араванского конусов выноса на юго-востоке долины (V 7 И, V 7 К). Из-за отсутствия хорошего дренажа подтопление вызывает сильное засоление почв в этих ландшафтных комплексах.
Проанализировав пространственную взаимосвязь возникновения дефицита водных ресурсов и геоэкологических проблем, можно сделать вывод, что особенности функционирования ирригационной системы определяют риски возникновения и интенсивность проявления проблем засоления и подтопления. При современных экономических условиях развития сельскохозяйственного сектора в Ферганской долине потенциал фермерских хозяйств по оптимизации использования водных ресурсов для орошения и снижения интенсивности проявления геоэкологических проблем могут быть реализованы только за счет адаптационного потенциала и возможностей самой ирригационной системы по максимально дифференцированному регулированию и распределению воды на орошаемых землях для снижения ее непродуктивных потерь.
Для модернизации системы орошения необходимо систематическое проведение оценок почвенно-мелиоративного состояния земель, уточнение режимов поливов, соответствующих этим условиям и требованиям выращиваемых культур, выбор технически оптимальной схемы полива, подходящей для конкретного рельефа местности, почвенных условий, при которой потери воды на сброс и инфильтрацию будут минимальными.