Введение к работе
Актуальность работы. Проблема мелиорации и сельскохозяйственного освоения земель в северных регионах страны, особенно в зоне распространения многолетнемерзлых пород (ММП) всегда была актуальной. Мелиорации отводится первостепенная роль при освоении территории. Особенно актуальный характер эта проблема приобрела в последнее время в связи с активизацией практики северного земледелия в субарктической и даже арктической зонах, в частности на Чукотке.
Развитие мелиорации земель в зоне Севера всегда сопровождалось большими трудностями и проблемами научного и технического плана, многие из которых пока ещё не решены. Специфика северного земледелия заключается в том, что при освоении территории невозможен прямой перенос методов и приемов мелиорации, применяемых в центральных районах страны, в основном из-за легкой ранимости ландшафтов криолитозоны и отсутствия надежных природоохранных мероприятий. Поэтому, как правило, все усилия ученых и энтузиастов земледелия, пытавшихся осваивать тундровые земли с использованием известных (для средних широт) традиционных технологий, неизменно оканчивались неудачей и отрицательными последствиями типа термоэрозии, термокарста и т.д. Пока на сегодня имеется небольшой практический опыт мелиорации, наиболее приемлемых для освоения земель в этой зоне.
Чукотка, наряду с соседней Якутией и Магаданской областью, входит в так называемую зону рискованного земледелия и рискованной мелиорации из-за чрезвычайно суровых климатических и неблагоприятных геокриологических (мерзлотных) и почвенных условий. Более того, для Чукотки характерны самые неблагоприятные условия для развития земледелия из этих трех регионов. К специфическим природно-климатическим особенностям Чукотки относятся: дефицит атмосферного тепла, неблагоприятный тепловой режим холодных, переувлажненных, с повышенной кислотностью и бедных питательными веществами почв. Льдистость грунтов может достигать 50-80%. Максимальное за лето оттаивание многолетнемерзлых грунтов в тундре составляет 0,4-0,6 м, а подземные льды (полигонально-жильные или пластовые) могут залегать с глубины всего 0,8-1,0 м. Все это указывает на то, что эти почвы не могут быть использованы для земледелия в своем естественном состоянии и нуждаются в различных видах мелиорации: водных (осушение); земельных (измельчение кочки, дернины, известкование, внесение органических, минеральных удобрений,
борьба с термоэрозией); тепловых (увеличение мощности сезонноталого слоя, улучшение климата почв и микроклимата приземного слоя воздуха); фитомелиорации (посевы многолетних трав, включая естественное залуже-ние угодий).
И все-таки, несмотря на очевидные трудности, мелиорация земель на Севере продолжает развиваться, а её роль для земледелия все более и более возрастает по мере продвижения границы земледелия в северные широты. Она становится тем своеобразным локомотивом, который способен будет вывести проблему из тупика. Это, кстати, доказывает и весь предыдущий опыт земледелия на Севере России. Так, за последние 70-80 лет северная граница земледелия в России продвинулась от Восточно-Сибирской железнодорожной магистрали до широты Северного полярного круга, а в некоторых местах перешла за его границу (Игарка). Это стало возможным не только благодаря достижениям сельскохозяйственной науки в области селекции новых растений, семеноводства и агротехники, но также и эффективному проведению мелиорации мерзлотных земель.
В настоящее время основным сдерживающим фактором дальнейшего продвижения границы земледелия на Север является не столько дефицит атмосферного тепла, которого может вполне хватать растениям, сколько дефицит почвенного тепла. Это означает, что для некоторых территорий агроклиматические характеристики для ряда культур (растений) вполне отвечают потребностям в атмосферном тепле, (на 80-100%), но имеют дефицит почвенного тепла от 30 до 60%. Отсюда становится ясно, какая важная роль отводится исследованиям по методам тепловой мелиорации, с помощью которых можно активно воздействовать на тепловой режим почв, повышая их аккумулирующую способность и улучшая почвенный климат.
Исследования теплового режима почв, начатые ещё П.И.Колосковьш (1930), сейчас активно продолжаются по нескольким направлениям: теплобалансовому и климатологическому М.К. Гавриловой (1978), почвенно-климатическому A.M. Шульгиным (1972) и др., почвенно-генетическому В.Н. Димо (1972) и др., в системе почва - наземный покров -атмосфера А.В. Павловым и др. Научное направление исследований последних лет - теплоэнергетика и структура внутрипочвенного теплооборо-та успешно развивается В.П. Панфиловым, A.M. Куликовым, В.И. Дугаро-вым и др. (Панфилов, Макарычев, Лунин и др., 1981; Куликов, 1988; Куликов, Дугаров, 1991).
Однако, несмотря на достаточно обширную тематику исследований по тепловому режиму в деятельном слое почвогрунтов и на хорошо изученное геокриологическое строение его (Шур, 1988), до сих пор не удалось приблизиться вплотную к проблеме разработки теоретических основ тепловой мелиорации мерзлотных почв - важнейшего объекта исследований.
Автор сделал попытку подойти к решению этой трудной проблемы с позиций системного подхода (теории систем автоматического регулирования и управления), как наиболее рационального метода для изучения сложных природных объектов в совокупности со всеми многочисленными внутренними и внешними связями.
Таким образом, актуальность проблемы мелиорации в зоне Севера, в частности, на Чукотке заключается в разработке специфических, пригодных только для северных условий методов мелиорации земель и рационального их использования, в том числе ранее освоенных.
Цель работы. Обосновать теоретически и практически возможности развития продуктивного сельскохозяйственного земледелия, в частности, луговодства и овощеводства открытого грунта в зоне распространения многолетнемерзлых пород на основе применения новых экологически безопасных технологий тепловой и водно-тепловой мелиорации почв.
Основные задачи исследований. Для достижения цели исследований были поставлены и решены задачи:
-
Разработка способа водно-тепловой мелиорации для эффективной эксплуатации действующих и рекреации деградированных луговых котловин и аласов, а также способа тепловой мелиорации почв для сельскохозяйственного освоения пологих тундровых склонов и других элементов ландшафтов;
-
Проведение опытно-производственного эксперимента (4 года) по освоению пологих тундровых склонов на примере выращивания овощных, зерновых культур и многолетних трав по новой технологии тепловой мелиорации почв;
-
Опытное освоение земель для луговодства за Полярным кругом в арктической зоне Чукотки и на островах больших рек Анадырь и Великая, для овощеводства открытого грунта;
-
Изучение деятельного слоя многолетнемерзлых грунтов как природной саморегулирующейся системы (элемента экосистемы); разработка теоретических основ тепловой мелиорации почв в зоне распространения многолетнемерзлых пород;
-
Разработка рекомендаций по: районированию территории Чукотки по применению методов мелиорации земель; повышению плодородия тундровых почв; оценке экологического ущерба от осушения озер залповыми сбросами загрязняющих веществ; совершенствованию методики проектирования водосбросных каналов.
Научная новизна. Впервые деятельный слой многолетнемерзлых грунтов (ДСГ) рассмотрен с помощью теории систем автоматического регулирования и управления как природная саморегулирующаяся система (элемент экосистемы). Впервые получено точное решение математической
модели нестационарного процесса теплопроводности для замкнутой системы регулирования ДСГ. Получены исходные данные для обоснования теоретических основ тепловой мелиорации почв, не нарушающей геокриологической устойчивости ДСГ и способствующей рациональному использованию земель в субарктической зоне Чукотки. Защищаемые положения.
-
Дальнейшее развитие мелиорации и сельскохозяйственное освоение земель для луговодства и овощеводства открытого грунта на Чукотке возможно. С помощью новой технологии тепловой мелиорации и освоения пологих тундровых склонов (патент РФ № 2056473) можно значительно увеличить коэффициент рационального использования земель. Кроме того, уже вышедшие из хозяйственного использования по причине деградации осушенные озерные котловины (5 тыс.га) могут быть восстановлены и стационарно эксплуатироваться в течение длительного времени по новому способу водно-тепловой мелиорации котловин (авт. свид. № 1303659).
-
Тепловой режим грунтов на островах крупных рек Чукотки (Анадырь и Великая) подтверждает наличие ярко выраженных микроклиматических локальных зон. Результаты экспериментов по выращиванию в открытом грунте картофеля и основных овощных культур: капусты, репы, редиса, лука, моркови и др. дают уникальную возможность для массового развития овощеводства на островах и решения важнейшей для Чукотки социальной проблемы - самообеспечение овощной продукцией жителей Чукотки в обозримом будущем.
3. Деятельный слой многолетнемерзлых грунтов (ДСГ) является
природной саморегулирующейся системой, и описывается с помощью ма
тематической модели нестационарного процесса теплопроводности для
замкнутой системы.
Практическое значение. На основе выполненных теоретических и экспериментальных разработок появляется возможность более реально подойти к оценке потенциальных возможностей сельскохозяйственного производства на Чукотке (северного земледелия). Они значительно возрастают при использовании для земледелия новых видов тепловых мелиорации и уникальных микроклиматических особенностей островов крупных рек. Предварительные расчеты показывают, что только одно предприятие фермерского типа на острове «Ильмувье» на р.Анадырь может на 60% удовлетворить потребности жителей г. Анадыря в овощной продукции, которая по себестоимости будет ниже привозной, включая импортную. Это даст возможность приступить к решению жизненно важной для всех северян социальной проблемы - производству продуктов питания, выращенных или произведенных из местного сырья.
Разработанные автором "Методические рекомендации" по оценке ущерба природной среде от залповых сбросов загрязняющих веществ, утверждены Патентно-экспертным советом и директором СВКНИИ ДВО РАН (1990 г.). Рекомендации были практически использованы в 1989 г. при проведении судебно-экологической экспертизы по оценке ущерба, причиненного государству осушением 7 Канчаланских озер общей площадью 1625 га (Анадырский район), с участием автора в качестве ведущего эксперта по постановлению и заданию Магаданского областного и Чукотского окружного прокуроров.
Рекомендована более точная методика проектирования водосбросных каналов из термокарстовых озер по модулю стока 10% - ной обеспеченности, в соответствии с специфическими условиями Анадырской низменности, вместо практикуемой проектными организациями 25%-ной обеспеченности.
При непосредственном участии автором выполнено 5 хоздоговорных работ по мелиорации и освоению земель под луга с Комсомольским ГОКом (Чаунский район), Иультинским ГОКом (Иультинский район), Полярнин-ским ГОКом (Шмидтовский район), совхозом "Северный" и Агропромком-бинатом "Чукотка" (Анадырский район).
Личный вклад автора. Все научные результаты и рекомендации, изложенные в диссертации, получены лично её автором. В соавторстве с другими исследователями были проведены экспериментальные исследования под руководством автора и при непосредственном его участии за период с 1984 по 1999 г. на территории Чукотского автономного округа. В указанном регионе автором проводились исследования на 7 "ключевых" участках, расположенных в различных природно-климатических условиях (рис. 1).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и теоретические положения были представлены на международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях и семинарах, в том числе на Региональной научно-практической конференции "Состояние и перспективы развития минерально-сырьевой базы Анадырско-Корякского региона" (Анадырь, 1985); Всесоюзном семинаре "Рациональное природопользование в криолитозоне" (Якутск, 1990); Международном научном семинаре "Подземные льды и криоморфогенез" (Анадырь, 1991); Всесоюзной научной конференции "Проблемы организации территории районов нового освоения" (Хабаровск, 1991); 45-ой Международной Арктической научной конференции "Научные мосты между Северной Америкой и Российским Дальним Востоком: прошлое, настоящее, будущее" (Владивосток - Фербенкс, Аляска, США, 1994); Всероссийской "Первой конференции геокриологов России" (Москва, 1996); Международной научной конференции "Проблемы криологии Земли: Фундаментальные и прикладные иссле-
дования" (г. Пущино Моск. обл., 1997); 7-ой Международной конференции по вечной мерзлоте (Оттава, Канада, 1998); Международной конференции "Мониторинг Криосферы" (г. Пущино Моск. обл., 1999).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 23 научных работах, в том числе в 2 коллективных монографиях, одной авторской монографии "Мелиорация и освоение земель на Чукотке", в 2 изобретениях и 1 методических рекомендациях.
Автор благодарит своих коллег за полезные замечания, практиче
скую помощь и советы, сделанные в ходе выполнения работы на разных её
этапах, Н.А.Тепкина, Э.А.Александрову, В.Л..Маслова, Г.Л. Маслову,
Н.Т.Величко, Л.Ф.Корейскую, Т..А.Гараеву, С.Н.Бражник,
А.С.Корековцева, Т.В.Звизду, В..П.Василенко, В.В.Сопова,, М.И.Тишина, А.Н.Котова, В.К. Рябчуна, И.Н.Скородумова, Л.П.Нувано, И.Г. Ригу. Искренне благодарен за ценные замечания, сделанные при просмотре рукописи диссертации и авторской монографии д.б.н., проф. А.В.Галанину, к.б.н. А.В.Беликович, к.г.-м.н. Н.В.Ухову, к.г.-м.н. О.Д.Трегубову, а также академику АН Киргизии, д.т.н., проф. Э.Э.Маковскому за советы и практическую помощь при разработке некоторых теоретических положений.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и списка литературы из 183 наименований. Объем работы составляет 323 страниц машинописного текста, 88 рисунков, 42 таблицы. Настоящая работа выполнена в Чукотском филиале СВКНИИ ДВО РАН (до 1998 г. - НИЦ "Чукотка") в рамках плановых, зарегистрированных в ВНТИцентре тем: 1) "Изучение криолитозоны и принципы рационального природопользования Чукотки", раздел II "Влияние техногенных факторов в субарктической и арктической зоне Чукотки на изменение микроклимата тундровых ландшафтов" № гос. per. 01.9.10 024896; 2) "Разработка научных основ мелиорации и рационального использования земель в зоне мно-голетнемерзлых пород (на примере Чукотки)" № гос.рег. 01.9.40 008994; 3) "Чукотка: разработка структуры и информационное обеспечение банка ресурсных, экологических и социально-демографических данных. Стратегия природопользования" № гос. per. 01.9.40 005672; Настоящая работа выполнялась также в рамках научноприкладных исследований по заказу объединения "Северовостокзолото" (г. Магадан) по трем хоздоговорным темам с ГОКами, а также по закалу областного агропромышленного объединения (г. Магадан) и окружного агропромышленного комбината "Чукотка" (г. Анадырь) по двум хоздоговорным темам. В целом, работа выполнялась в рамках 9 плановых федеральных и внебюджетных региональных тем.