Экологические основы мелиорации почв Елизарова, Татьяна Николаевна

Введение к работе

Актуальность исследований. Современное рациональное природопользование предполагает обязательную эколого-мелиоратив-ную оценку территорий и осуществление контроля за состоянием природной среды. Неправильное применение мелиорации сопровождается катастрофическим разрушением педосферы: засолением, осолонцеванием, заболачиванием, усилением водной и ветровой эрозии. Для прогнозных оценок поведения почв при мелиорации необходимы новые методологические и методические разработки. Проблема мелиорации с точки зрения экологии почв как теоретической науки до сих пор не имеет обоснованных подходов, хотя отдельные вопросы в литературе освещались и предложен ряд ее решений [Прасолов, 1939; Волобуев, 1963; Гаджиев, 1982; Соколов, 1993; Карпачевский, 1999; и др.].

В качестве экспериментальной территории для разработки концепции экологических основ мелиорации почв, эколого-мелиоратив-ных характеристик и прогнозов состояния почвенного покрова выбрана Западная Сибирь, которая отличается легкой ранимостью почв и ландшафтов, медленностью процессов восстановления их естественного состояния. Почвы юга Западной Сибири, основного земледельческого района, подвержены активному засолению и осо-лонцеванию [Ковда, 1954; Базилевич, 1965]. В глобальном круговороте веществ солонцы осуществляют роль "солевых дрен", поэтому поиск эффективных приемов повышения их. плодородия предполагает особое внимание уделять процессам водо-солеобмена как в почвах, так и в породах зоны аэрации и в грунтовых водах.

Цель исследований. Разработать концепцию экологических основ мелиорации почв.

Задачи исследований.

1. Изучить почвенно-экологические связи, ресурсные характеристики почв, их экологические функции.

2. Разработать объединенные показатели почв и среды для планирования экологически безопасных мелиорации.

3. Установить закономерности поведения почв при мелиорации с методологических позиций экологии почв.

4. Усовершенствовать приемы регулирования осолонцеванием и засолением почв.

Объект и методы исследований. Объектом исследований является совокупность почв, пород зоны аэрации и грунтовых вод, представляющая собой систему вложенных природных тел, формирование и функционирование которых определяется внешними факторами, то есть экологически обусловлено. Почвенный и растительный покров, подстилающая толща пород, атмосферные, поверхностные, грунтовые и подземные воды Западной Сибири исследовались полевым, сравнительно-географическим, стационарным (режимные наблюдения) и лабораторным методами. Изучались также фондовые материалы Новосибирского производственного геологического объединения (Новосибирскгеология), Гипроводхозов, Гипроземов Западной Сибири, а также Гидрометеорологической службы РФ.

Выделение эколого-мелиоративных комплексов и групп в данной работе было проведено на основе почвенной карты Западной Сибири масштаба 1:2 500 000 (Ред. И.М.Гаджиев, Фонды ИПА СО РАН, 1982), почвенной карты РСФСР масштаба 1:2 500 000 (Ред. В.М.Фридланд, 1989), а также среднемасштабных тематических карт: геолого-геоморфологической, инженерно-геологической, четвертичных отложений, климатической, растительности, почвенной, почвенно-мелиоративной, эколого-мелиоративной и др.

Эффективность химической мелиорации солонцов изучалась с 1972 г. на трех орошаемых слабоминерализованными водами и двух богарных участках. Опыты в Кабинетном (участок 1), Ульяновском (уч. 2), Сарыбалыкском (уч. 3) совхозах были заложены сотрудниками лаборатории мелиорации почв ИПА СО АН СССР, в Козловском (уч. 4) - сотрудниками СибНИИ кормов СО ВАСХНИЛ. Вопросы мелиорации солонцов на Татарском участке (уч. 5) рассматривались автором совместно с Т.Н.Рябовой и А.П.Трубецкой.

Варианты полевых опытов включали различные дозы гипса (от 10 до 100 т/га) и глубину заделки (0-5 - 0-35 см), орошение минерализованными водами (0,3 - 2,1 г/л) поливной нормой от 500 до 5000 м³/га в год, внесение азотно-фосфорных удобрений (N60P60).

На учетных площадках размером 1 м² по вариантам опыта в 4-5-кратной повторности изучались сезонная и многолетняя динамика солей и влаги, обменного натрия, содержания карбонатов, подвижных соединений Si, Al, Fe, уровня залегания и минерализации грунтовых вод, урожайность и зольный состав сельскохозяйственных культур.

С 1996 года начались наблюдения за содержанием водорастворимых солей и легкоподвижных соединений в снежном покрове и почве в естественных условиях и при техногенном загрязнении.

Общее содержание и состав солей в образцах почв и вод определялись по общепринятой методике; содержание обменного натрия, подвижных соединений Si, Al, Fe, карбонатов кальция и магния - с помощью декантационных 1%-ных солянокислых вытяжек [Панин и др., 1977]; Са, Mg, Na, К, Fe, Al, Mn, Si растительных образцов - в солянокислой вытяжке после сухого озоления [Гришина, Самойлова, 1971].

Для синтеза материалов исследований и поиска наиболее общих закономерностей использовались галогеохимические модели миграции солей.

Научная новизна. Разработана концепция экологических основ мелиорации почв, усовершенствована методологическая и методическая база эколого-мелиоративных исследований. Впервые для прогнозных оценок поведения почв при мелиорации введены тектонический фактор (Патент № 2139535), ландшафтно-литологическая характеристика почв (Патент № 2149948), критический уровень залегания грунтовых вод (Патент № 2115924) и амплитуда его колебания.

Для планирования экологически безопасных мелиорации разработаны объединенные показатели свойств почв и среды: эколого-мелиоративный потенциал территории (ЭМПт) и устойчивость (свойств) эколого-мелиоративных комплексов к мелиоративным воздействиям.

Установлено, что роль отдельных почвообразующих факторов и их сочетаний в изменении свойств эколого-мелиоративных комплексов проявляется в виде сложных суммарных эффектов, обуславливающих разноуровневую структуру комплексов и их функциональную неоднородность.

Впервые определена трансформирующая и аккумулирующая роль почв и грунтов в водо-солеобмене территории в естественных и техногенных условиях в течение всего года, включая зимний период. В почвах и грунтах исследуемой территории формируется устойчивый многолетний солевой профиль со стабильным (в течение не менее 40-50 лет) положением горизонта максимального солесо-держания на определенной глубине. Перераспределение вещества и

энергии между почвами, породами зоны аэрации, грунтовыми водами является основным механизмом регуляции вещества и энергии в педо-, лито- и гидросфере, который определяет экологические функции почвенного покрова.

Выявлено, что почвы формируют геохимически сопряженные эколого-эволюционные ряды со специфической пространственной структурой литологических, химических и физико-химических свойств и .единым (однотипным) направлением изменения в них запасов влаги и солей во времени.

Показано, что интенсивность осолонцевания почв и эффективность химической мелиорации обусловлены особенностями водо-солеобмена в почвах, породах зоны аэрации и грунтовых водах. По_г еле гипсования солонцов и солонцовых почв меняются не только их водно-физические и химические свойства, но и минерализация грунтовых вод, степень связи грунтовых вод с почвами (дрениро-ванность почвенного профиля), интенсивность накопления в растениях многих зольных элементов и, в целом, характер биологического круговорота веществ в агроценозе.

Впервые дана обстоятельная, наиболее исчерпывающая характеристика территории, что позволило обосновать как теоретически, так и экспериментально систему мелиоративных и природоохранных мероприятий, составить серию мелко- и среднемасштабных эколого-мелиоративных карт, не имеющих аналогов ни в России, ни за рубежом.

Защищаемые положения.

5. Экологические основы мелиорации почв включают систему факторно-экологической, эколого-эволюционной, ландшафтно-литологическойи педогалогеохимической оценок природных условий, определение эколого-мелиоративного потенциала территории, степени устойчивости свойств эколого-мелиоративных комплексов к мелиоративным воздействиям.

6. В Западной Сибири природоохранные и мелиоративные мероприятия направлены на регулирование криогенными, аккумулятивными, эрозионно-денудационными процессами, водо-солеобме-ном и солонцеобразованием. Интенсивность осолонцевания почв и эффективность химической мелиорации обусловлены особенностями водо-солеобмена в почвах, породах зоны аэрации и грунтовых водах.

Вклад автора в разработку проблемы. Идея применения эко-лого-генетического подхода к обоснованию мелиорации почв принадлежит проф. П.С.Панину и чл.- корр. РАН И.М.Гаджиеву. Программа исследований экологических основ мелиорации почв составлена и. осуществлена автором. Разработка и обоснование концепции использования природных ресурсов (и в первую очередь почвенных) при проведении мелиорации, а также метод галогеохи-мического моделирования миграции солей принадлежат автору. Ландшафтно-литологические и мелиоративно-гидрогеологические методы оценки почвенного покрова территории разработаны автором совместно с В.А.Казанцевым, Л.А.Магаевой, М.Т.Устиновым. Понятие эколого-мелиоративного потенциала территории введено проф. В.Н.Михайличенко.

Проведение полевых опытов и наблюдения за водно-солевым режимом почв выполнены совместно с Н.В.Семендяевой, М.Д.Константиновым, В.Х.Яковлевым (СО РАСХН), Н.А.Галузо, В.А.Казанцевым, Л.А.Магаевой, С.А.Мокридовой, А.А.Сеньковым, А.М.Шкарубой, М.В.Якутиным (ИПА СО РАН), М.Т.Устиновым (Запсибгипроводхоз). Всем названным лицам приношу глубокую благодарность.

Теоретическая и практическая значимость. Концепция экр_т логических основ мелиорации почв позволяет провести комплексную оценку территории с учетом ее многокомпонентного и полифункционального состояния. Эколого-мелиоративное районирование территории служит теоретической и практической основой рационального использования земельных ресурсов и их охраны, а также мониторинговых исследований.

Реализация научных результатов осуществляется при разработке технико-экономического обоснования генеральных планов и схем рационального природопользования и землепользования административными планирующими органами, экологическими (по охране природы) и земельными областными комитетами. Материалы исследований использованы при составлении эколого-мелиоративной карты левобержной части Новосибирской области в масштабе 1:500 000, карты мелиорации почв и эколого-мелиоративного районирования Новосибирской области в масштабе 1: 2 500 000, эколого-мелиоративной карты Западной Сибири в масштабе 1:2 500 000.

Разработанные и апробированные методы и галогеохимические модели служат обеспечением научно-исследовательских, изыскательских и проектных работ, помогают выбрать объекты для проведения мелиорации, избежать материальных затрат из-за неэффективного земледелия, согласовывать полученные результаты с данными для смежных территорий и с близкими по тематике работами в области педогалогеохимии и экологического почвоведения.

Материалы эколого-мелиоративных исследований, имеющие познавательное и теоретическое значение, включены в лекционные курсы Сибирской государственной геодезической академии и учебное пособие по почвоведению для Вузов естественного профиля.

Апробация и публикация результатов исследований. Результаты исследований доложены и обсуждены на научно-производственном совещании "Земельные ресурсы Сибири" (Новосибирск, 1982), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути повышения продуктивности солонцовых почв" (Новосибирск, 1986), на научно-практической конференции "О создании единой региональной системы мониторинга окружающей среды и здоровья населения Сибири" (Новосибирск, 1996), на 7-м (Ташкент, 1985) и 8-м (Новосибирск, 1989) делегатских съездах ВОП, на 2-м (Санкт-Петербург, 1996) и 3-м (Суздаль, 2000) съездах почвоведов России, на II Всесоюзном научном совещании "Моделирование и прогнозирование природных условий при перераспределении водных ресурсов" (Новосибирск, 1987), на Международной конференции по "Генезису и управлению плодородием засоленных почв" (Волгоград, 1991), на Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы освоения Барабинской низменности" (к 100-летию создания экспедиции по обводнению и осушению земель Западной Сибири) (Новосибирск, 1995), на Международной конференции по проблемам антропогенного почвообразования (Москва, 1997), на экологическом се-минаре"Социально-экономические и технические проблемы экологии Сибирского региона" (Новосибирск, 1998) и других.

Материалы диссертации опубликованы в 72 научных работах: в четырех монографиях, в 56 статьях и тезисах, в методических рекомендациях по кормопроизводству на солонцовых землях Западной Сибири и Южного Урала и учебном пособии для ВУЗов естественного профиля.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа изложена на 396 страницах машинописи, включая 44 страницы табличного материала и иллюстрирована 23 рисунками, в числе которых 18 картосхем. Список использованной литературы насчитывает 418 работ на русском и 15 на иностранных языках.

Материалы диссертации, обобщенные в главе 3, получены при финансовой поддержке РФФИ, проекты №№ 96-04-50944, 99-04-49983.