Содержание к диссертации
Введение
1 .Состояние изученности вопроса 11
1.1 .Концепции ведения мониторинга орошаемых агроландшафтов... 11
1.2. Круговорот вещества в орошаемых агроландшафтах, их продуктивность и экологическая устойчивость 24
1.3. Применение информационных технологий для создания и ведения мониторинга орошаемых агроландшафтов 35
2. Условия и методика проведения исследований 48
2.1 .Природные условия зоны проведения исследований 48
2.1.1. Климат 48
2.1.2. Рельеф и геолого-гидрогеологические особенности , 49
2.1.3. Почвенный покров < 51
2.2. Обоснование репрезентативности выбранного участка 57
2.3. Описание объекта геоинформационного мониторинга , 60
2.3.1. Общие сведения о хозяйстве 60
'2.3.2. Природные условия 61
2.3.2.1. Климат 61
2.2.2.1. Геология и рельеф 62
2.2.2.2. Почвы , 64
2.2.2.3. Климатические условия 65
2.3.3. Водопотребление 68
2.3.4. Системы орошаемого земледелия 71
2.4.Методика проведения исследований 74
2.4.1. Методика отбора почвенных проб 74
2.4.2. Методика определения мелиоративных и агроэкологиче-ских свойств почвы 75
2.4.2.1. Методика определения мелиоративных свойств почвы.. 76
2.4.2.2. Методика определения агрохимических свойств почвы... 77
2.4.2.3. Методика определения загрязнения почвы тяжелыми металлами и мышьяком 77
2.4.3. Методика создания цифровой карты орошаемых земель и
использование ГИС технологий при сборе и обработке данных... 81
3. Принципы создания и ведения локального мониторинга орошаемых агроландшафтов сухостепного Заволжья на основе ГЙС-технологий 87
3.1. Перспективы применения геоинформационных систем в мелиоративной отрасли 87
3.2. Принципы создания и ведения локального мониторинга орошаемых агроландшафтов 89
4. STRONG Агроэкологическое и мелиоративное состояние орошаемых земель ЗАО «АФ
«Волга», тенденции его изменений и закономерности превращений веществ STRONG 100
4.1. Современное агроэкологическое и мелиоративное состояние орошаемых земель ЗАО «АФ «Волга» 100
4.2. Тенденции изменения потенциального и эфффективного плодородия орошаемых земель ЗАО «АФ «Волга» за 1990 - 2006 гг 107
4.3. Закономерности превращений вещества в орошаемых агроланд-шафтах сухостепного Заволжья (на примере ЗАО АФ «Волга») 114
4.3.1. Динамика баланса гумуса. 115
4.3.2. Динамика баланса основных элементов питания 119
4.3.3. Рекомендации по улучшению балансов гумуса и основных элементов питания 122
5. Информационное обеспечение локального мониторинга орошаемых агроландшафтов 124
5.1. Программные средства создания геоинформационной системы локального мониторинга 124
5.2.Цифровая карта мелиорированных земель ЗАО «АФ «Волга» 133
5.2.1 .Подготовительный этап 133
5.2.2. Векторицазия 136
5.2.3 .Привязка 138
5.2.4. Атрибутивные свойства объекта 138
5.2.5.Тематические слои 139
5.2.6.Цифровая модель рельефа 149
5.3. Атрибутивная база данных локального мониторинга орошаемых земель ЗАО «Агрофирмы «Волга»
6. Применение ГИС- технологий для оценки мелиоративного и агроэкологического состояния орошаемых земель сухостепного Заволжья
6.1. Инструменты ГИС-ацализа данных 161
6.2. Способы автоматизированного создания почвенно- мелиоративных карт 162
6.2.1. Карты мелиоративного состояния по засолению 163
6.2.2. Автоматизированное создание картограмм тенденций осолонцевания почв 167
6.2.3. Автоматизированное создание карт изогипс уровня грунтовых вод 169
6.3. Способы автоматизированного создания картограмм для оценки
агроэкологического состояния орошаемых земель 172
6.3.1. Способ создания картограмм по осредненному для каждого отдельного поля значению показателей 172
6.3.2. Способ создания цифровых моделей пространственного распространения значений агроэкологических показателей (ЦМПРП) 176
6.3.3. Обработка данных о загрязнении почв средствами ГИС 181
7. Информационно-советующая система «Экологический паспорт сельскохозяйственного предприятия» , 193
7.1. Экологический паспорт сельскохозяйственного предприятия и его особенности 193
7.2. Программно-информационное обеспечение информационно-советующей системы «Экологический паспорт сельскохозяйствен ного предприятия» 195
8. Экономическая эффективность применения геоинформационного мониторинга орошаемых земель 201
8.1. Оценка экономической эффективности повышению качества управления эффективным плодородием орошаемых земель ЗАО «АФ «Волга» 201
8.2. Экономическая эффективность применения геоинформационных технологий для обработки результатов мониторинга орошаемьтх земель.. 202
Выводы 208
Предложения производству 210
Список используемой литературы
- Круговорот вещества в орошаемых агроландшафтах, их продуктивность и экологическая устойчивость
- Описание объекта геоинформационного мониторинга
- Принципы создания и ведения локального мониторинга орошаемых агроландшафтов
- Тенденции изменения потенциального и эфффективного плодородия орошаемых земель ЗАО «АФ «Волга» за 1990 - 2006 гг
Введение к работе
Занимая обширную территорию Восточной Европы и всю Северную Азию, Россия располагает огромным земельным фондом в 1709,8 млн. га (Россия в окружающем мире: 2002). Но лишь четверть земельного фонда страны благоприятна для сельского хозяйства. В северной и средней лесной зонах недостает солнечного тепла. Годовая сумма среднесуточных температур выше 10С в этих местах не превышает 1400С, В южных континентальных районах недостаточно атмосферной влаги (менее 400 мм в год). В связи с этим всего 13% территории России занято сельскохозяйственными угодьями, а пашней и того меньше ~ всего 7 %, из них на долю каштановых почв приходится 12,8 % (Романенко Г.А., КомОв Н.В., Тютюнников А.И., 1996)
В наше время на одного жителя планеты приходится около 0,25 га пашни, а в России - 0,88 га (Доклад о мировом развитии, 2000/2001 г.). Большой земельный фонд с разнообразным почвенным покровом, несомненно, представляет огромное национальное богатство страны. Задача состоит в том, чтобы бережно и умело распоряжаться им, то есть в максимальной степени согласно особенностям природных условий страны в целом и каждому из ее регионов и ландшафтов в отдельности.
Однако с начала 1980-х годов стало ощущаться замедление, а затем и спад развития сельскохозяйственного производства. Принимаемые правительством постановления и программы повышения плодородия почв не выполнялись, уменьшались поставки минеральных и органический удобрений. Негативные процессы в состоянии почвенного покрова России особенно усилились в 1990-е годы.
Количество элементов питания растений, вносимых в почвы с органическими удобрениями, уменьшилось за последние 10-15 лет в 7 раз, с минеральными в 10 раз. Дефицит баланса питательных элементов в почвах пашни достиг более 100 кг/га. Это значит, что уже много лет идет процесс не повышения, а истощения природного плодородия почв. Огромные территории сельскохозяйственных угодий (23%) и особенно пашни эродированны (27%),
б больше 40 млн. га в разной степени засолены, а 26 млн. га переувлажнены и заболочены, около 5 млн. га загрязнены тяжелыми металлами и радионуклидами (Почвы и земельные ресурсы, 2000).
По данным государственной агрохимической службы России и Роском-зема России, 56 млн. га пашни (45%) характеризуется низким содержанием гумуса, 43 млн. га (36%) - повышенной кислотностью, 28 млн.га (23%) -низким содержанием фосфора и 12 млн. га (9%) - низким содержание калия, что лимитирует уровень урожайности на этих землях. (Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1999 году», 2000).
В Саратовской области в результате не всегда рационального использования орошаемых земель с применением недопустимых нагрузок на мелиоративные агроландшафты в последние десятилетия усилилось развитие негативных процессов: дегумификация почв региона (за последние 30 лет содержание гумуса в почвах уменьшилось на 0,24-0,7 %); подъем уровня грунтовых вод за счет инфильтрации оросительной воды; вторичное засоление и осолонцевание. В настоящее время в Саратовской области из оставшихся на балансе 257,3 тыс. гектар орошаемых земель 10% (25769 га) отличаются различной степенью солонцеватости, 3% (7304 га) - засолены, на 5704 га или около 2% грунтовые воды залегают на глубине менее 2 метров.
Важнейшей причиной экологического неблагополучия орошаемых аг-роландшафтов является недостаточное качество управления их мелиоративным комплексом из-за недостатка информации, отсутствия учета пестроты почвенного плодородия по полям хозяйств при принятии агротехнологиче-ских решений. Предоставить необходимую информацию может только комплексный локальный мониторинг эколого-мелиоративного состояния орошаемых земель, учитывающий различия показателей почвенного плодородия отдельных поливных полей. Создание и ведение его системы является насущной задачей современной сельскохозяйственной науки и практики. Такой мониторинг требует разработки информационного обеспечения мелиорируе-
мых ландшафтов, включающих учет пространственной динамики характеристик полей, организации территории, конструктивных различий ирригационной сети и других значимых факторов. Инструментарием, который мог бы накапливать и обрабатывать всю эту информацию, является географическая информационная система (ТИС) орошаемых агроландшафтов.
В настоящее время в Российской Федерации геоинформационные системы мониторинга мелиорированных земель ориентируются на применение на федеральном и региональном уровнях. ГИС-технологии в них направлены на визуализацию с помощью электронных карт различной атрибутивной информации, а не на задачи управления почвенным плодородием при производстве растениеводческой продукции, которые могут решаться только на локальном уровне, в отдельных орошаемых хозяйствах.
Разработке комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых земель, предназначенного для управления плодородием почв в природно-климатических и социально-экономических условиях сухостепно-го Заволжья, посвящена настоящая диссертационная работа.
Ее основу составляют исследования, выполненные автором в 2004-2006 гг, которые проводились в репрезентативном для условий сухостепного Заволжья хозяйстве ЗАО «Агрофирма «Волга» (Марксовский район Саратовской области)
Цель и задачи исследований.
Цель - сохранение природного потенциала орошаемых агроландшафтов Саратовского Заволжья на основе повышения качества управления почвенным плодородием путем разработки системы создания и ведения комплексного локального геоинформационного мониторинга поливных земель.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - Выработать принципы создания и ведения локального мониторинга
орошаемых агроландшафтов на основе ГИС-технологий.
Изучить современное агроэкологическое и мелиоративное состояние орошаемых земель ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского рай-
она Саратовской области, тенденции его изменений за последние 15 лет и закономерности превращений веществ в орошаемых агроландшафтах сухостепного Заволжья. - Создать информационное обеспечение локального мониторинга орошаемых агроландшафтов на примере репрезентативного хозяйства ЗАО «АФ «Волга».
Разработать способы применения геоинформационных технологий для оценки мелиоративного и агроэкологического состояния мелиорированных земель сухостепного Заволжья.
Создать информационно-советующую систему для разработки экологического паспорта и определения платы за природопользование сельскохозяйственного предприятия.
Научная новизна. Предложены принципы и система создания и ведения комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых земель сухостепной зоны Заволжья. Разработано информационное обеспечение мониторинга, в том числе цифровая карта репрезентативного орошаемого хозяйства Саратовского Заволжья - ЗАО «Агрофирма «Волга» Маркеовского района. Установлены особенности современного эколого-мелиоративного состояния его мелиорированных земель и закономерности превращений веществ в орошаемых агроландшафтах сухостегшого Заволжья. С помощью геоинформационных технологий определены тенденции пространственно-временных изменений агроэкологических и мелиоративных свойств орошаемых темно-каштановых почв хозяйства. Создана информационно-советующая система для разработки экологического паспорта и определения платы за природопользование сельскохозяйственного предприятия.
Практическая значимость работы. Использование на орошаемых землях Саратовского Заволжья разработанного комплексного локального мониторинга эколого-мелиоративного состояния почв, основанного на современных геоинформационных технологиях, обеспечивает повышение качества управления поливным растениеводством, в том числе агроэкологически
обоснованную экономию удобрений, улучшение эколого-мелиоративного состояния орошаемых темно-каштановых почв, повышение продуктивности поливных земель, снижение затрат на обработку данных мониторинговых наблюдений на 60 - 80%.
Реализация результатов исследований. Разработанные система ведения и информационное обеспечение комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых земель сельскохозяйственного предприятия сухостепной зоны Заволжья, а также информационно-советующая система для разработки экологического паспорта сельскохозяйственного предприятия были внедрены в 2005-2006 гг. в ЗАО «Агрофирма «Волга» (Мар-ксовский район Саратовской области) на площади 3280 га. Экономический эффект за счет повышения качества управления плодородием орошаемых земель составил 133 тыс. руб.; а при обработке результатов мониторинга и выдаче их в виде картограмм за одно обследование 1,4 руб./ra при агрохимическом обследовании и 0,78 руб./га при мелиоративном.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции «Агроэкологические проблемы сельскохозяйственного производства (Пенза, 2005); международной научно-практической конференции «Проблема производства продукции растениеводства на мелиорированных землях» (Ставрополь, 2005); международной научной конференции «Агрохимические приемы повышения плодородия почвы и продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно-ландшафтных системах земледелия» (Москва 2006); всероссийской научно-практической конференции, посвященной 117 годовщине со дня рождения Н.И. Вавилова (Саратов, 2004); всероссийской научно-практической конференции, посвященной 118 годовщине со дня рождения Н.И. Вавилова (Саратов, 2005); конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (Саратов, 2004 - 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе в реферируемом журнале «Плодородие».
Основные положения, выносимые на защиту:
- Принципы ведения локального мониторинга орошаемых агроланд-
шафтов на основе ГИС-технологий.
Особенности современного агроэкологического и мелиоративного состояния орошаемых земель ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского района Саратовской области, тенденции его изменений за последние 15 лет и закономерности превращений веществ в орошаемых агроланд-шафтах сухостепного Заволжья.
Информационное обеспечение локального мониторинга орошаемых агроландшафтов на примере репрезентативного хозяйства ЗАО «АФ «Волга».
Способы применения геоинформационных технологий для оценки мелиоративного и агроэкологического состояния мелиорированных земель сухостепного Заволжья.
- Информационно-советующая система для разработки экологиче
ского паспорта и определения платы за природопользование сельскохо
зяйственного предприятия.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 210 страницах машинописного текста, содержит 71 таблицу, 82 рисунка. Состоит из введе-ния, 8 глав, выводов и предложений производству, списка литературы из 391 наименований, в ъ ч. 29 на иностранных языках, приложений.
Круговорот вещества в орошаемых агроландшафтах, их продуктивность и экологическая устойчивость
Орошение - мощный фактор, изменяющий природное соотношение тепла и влаги, степень использования приходящей солнечной энергии и продуктивность биоценозов. Эти изменения редко проявляются по отдельности, значительно чаще несколько признаков меняются одновременно (Романова Л.Г., 2001). При орошении энергоемкость системы шочва-растение» в черноземах возрастает в 1,4 раза, в каштановых почвах - 1,8, что приводит к повышению продуктивности культурных агроценозов в 2-5 раз (Барановская В А, Азовцев В.Н, Околелова А А, 1989).
И, как отмечают Шувалов АН, Фомин Г.И., Колчина НА. (1994), процесс преобразования существующих и развития мелиоративных (орошаемых) агро-ландшафтов не всегда носит позитивный характер и обеспечивает сохранение природного потенциала экосистем. Из-за допущенных ошибок при проектировании и строительстве оросительных систем Поволжья, несовершенства систем орошаемого земледелия становление орошаемых агроландшафтов на значительных площадях зачастую сопровождалось их деградацией, в первую очередь деградацией почв, ухудшением их свойств, потерей плодородия.
В настоящее время достаточно хорошо известно, что в отличие от естественных экосистем с относительно замкнутым циклом биогенных элементов в агроландшафтах происходит разрыв этого цикла из-за отчуждения питательных веществ с урожаем, снижение их доступности растениям, потерь в результате стока, эрозии, денитрификации, инфильтрации и т.д. (Володин ВМ., Еремина Р.Ф., 1989). Кроме того, нарушение баланса питательных веществ в земледелии ведет не только к уменьшению производства продукции и ухудшению ее качества, но и к снижению устойчивости агтхшандшафтов (Голованов А.И., Корнеев И.В., 1995).
Тюрин ИВ. (1965), Шагаев В.Я., Михайлина Н.В. (1977), Айдаров И.П (1981), Ковда В.А. (1981), Туев НА (1989) и Пронько НА., Романова Л.Г., Фаль 25 кович А.С. (2005) к основным причинам, обусловившим деградацию и неудовлетворительное состояние поливных земель, относят коренные нарушения природных потоков вещества н энергии в орошаемых агроландшафтах и изменения сложившегося в течение длительного времени водного баланса территорий. В немалой степени, это связано с воздействием применявшихся систем земледелия, в том числе систем удобрений и поливов (Данилова ЕА., Кудряшова ОА., 1978; Фокеев ТІМ., Муравлев А.П., Колчина НА., 1981; Дьяконова К.В., Булев В.С Когут Б.М., 1981; Щербаков А.П, Щеглов Д.И., 1988; Узун В.Ф, Алексеева АЛ, 1987; Андру-сенко И.И., Коваленко А.М., Сафонова Е.П., 1988; Коринец В., 1988; Барановская ВА., Азовцев В.И., Околелова А.А., 1989; Филин В.Й., 1992; Классификация систем земледелия с учетом их влияния на экологическую обстановку в орошаемых агроландшафтах Поволжья, 1994; Шувалов АЛ, Фомин Г Л, Колчина НА., 1994; Царев АЛ., Корчаков В.Е. Денисов К. Е., 2002). В связи с этим необходимо систематическое наблюдение, изучение, анализ этих процессов и принятие своевременных мер, что, в принципе, и составляет основу мониторинга земель. (Добровольский Г.В., Орлов Д.С, Гришина П.Л., 1983; Муромцев НА, 2000).
Но, чтобы разобраться в причинах деградации орошаемых агроландшафтов сначала необходимо определить, что представляет собой круговорот вещества. Для этого обратимся к классическому определению: биологический (биотический) круговорот веществ - это явление непрерывного, циклического, но неравномерного во времени и пространстве и сопровождающегося более или менее значительными потерями закономерного перераспределения энергии, информации и вещества в пределах экологических систем различного иерархического уровня организации - от биогеоценоза до биосферы (Реймерс, 1990).
Говоря о круговороте воды, следует отметить, что в биосфере в целом экологически безопасное функционирование системы почва - вода - растение обеспечивается сбалансированным взаимодействием природных факторов. В практике орошения сбалансированное взаимодействие природных и антропогенных факторов повсеместно нарушается необоснованно высокими агро- и гидромелиоративными нагрузками на почвы. Например, по Саратовской области суммарный объем водоподачи на орошение и даже суммарный водозабор составляют доли процента от годового стока Волги (табл. 1.1) и не могут влиять на устойчивость бассейновых экологических систем. Вместе с тем, подача воды с вегетационными поливами на каждое отдельное поле (оросительная норма) вполне сопоставима с годовой нормой осадков, составляющей в сухостепном Поволжье 300-400 мм (3000-4000 мЗ/га). То есть, на сельскохозяйственное поле (объект орошения) добавочно подается 30-60% от естественного поступления влаги (Пронько НА, Корсака ВБ., Фальковича АС, Холуденевой О.Ю., 2005).
Такое изменение естественного водного баланса сельскохозяйственных земель приводит как к положительным (рост фитопродуктивности агроланд-шафта), так и отрицательным последствиям. Среди негативных последствий можно отметить, прежде всего, подъем уровня грунтовых вод за счет инфильтрации оросительной воды, составляющей в Среднем Поволжье, по данным Фальковича А.С. (1999), Романовой Л.Г. (2001), до 20% от оросительной нормы; изменение условий почвообразования от естественных автоморфных к полугидроморфным и гидроморфным; повышение содержания в верхних горизонтах легкорастворимых солей за счет их перераспределения по почвенному профилю (вторичное засоление) и накопление в почвенном поглощающем комплексе ионов натрия (осолонцевание).
Наряду с круговоротом влаги, орошаемое земледелие изменяет также круговорот углерода и элементов питания растений на поливных угодьях. Если в биосфере в целом потери вещества минимальны (Егоренков Л.И. и Кочуров Б.И., 2005), так как идет замкнутый цикл круговорота веществ, то в агроландшафте полного круговорота веществ в пределах агробиогеоценоза не происходит, так как большая часть веществ всегда уходит за его пределы (Золотарева Б.Н., 1989). Исследования ряда ученых (Фокеев ПМ., Муравлев A.IX, Колчина НА., 1981; Шев 27 цова Л.К., 1988; Пономарева А.Т., 1988; Чупахин В.М., Андриипшн MB., 1989; Филин В.И., 2001; Царев АЛ., Корчаков В.Е., Денисов КЕ., 2002, Пронько Н.А., Бурмистрова ЛА, Жаркова С.А., Лим Ю.Р., 2003) подтверждают» что при сельскохозяйственном использований орошаемых земель большая часть биомассы аг-роценозов отчуждается с увозимой с поля продукцией, что вызывает значительное нарушение круговорота вещества и энергии, замкнутость которого в природных условиях определяла экологическое благополучие ландшафтов.
Без компенсации потерь углерода, доступных элементов питания внесением органических и минеральных удобрений складывается дефицитный баланс углерода и доступных элементов питания, что как раз и ведет к постепенному истощению их запасов и снижению почвенного плодородия. Величина отчуждения элементов питания (табл. 1.2) во многом определяется возделываемой культурой (Шувалов А.Н., Колчина Н, А., Морковин В.Т., Пылев HJX, Корсак В.В., 1996).
Описание объекта геоинформационного мониторинга
Геоморфологически в Заволжье выделяют четыре основных района: Низкую Сыртовую равнину, Общий Сырт, долину реки Волги и Прикаспийскую низменность. Исследуемая территория находится в Марксовском районе и относится к району долины реки Волга (согласно Костину Б.И. и Гребенюкову П.Г., 1988).
В долине Волги выделяют пять надпойменных террас с общей шириной от нескольких до 20км.
1-ая надпойменная терраса (aQmh3) прослеживается в виде отдельных разобщенных участков. Она сложена верхнехвалынскими аллювиальными образованиями: в русловой части - песками с гравием и галькой, в пойме -супесями и суглинками.
II-ая терраса (mQ[frh2) выделяется в виде отдельных узких разобщенных полос, сложена среднехвалынскими лиманно-морскими отложениями, представленными в основном шоколадными глинами.
III-я надпойменная терраса (aQmhi) распространена шире, особенно в центральной и южной частях области. Сложена нижнехвалынскими аллювиальными отложениями, представленными песками, супесями, суглинками.
IV-ая терраса (aQnhz) сложена аллювиальными образованиями хазарского возраста, представленными песками, супесями и суглинками. Кроме того, встречаются озерно-аллювиальные отложения (IaQnhz), в виде тяжелых суглинков, глин и песков, эти отложения слагают надпойменную террасу притока Волги - р. Большой Караман. Рельеф террасы спокойный, равнинный с малыми уклонами и сравнительно негустой гидрографической сетью.
V-ая терраса (aQjb) сложена аллювиальными отложениями бакинского возраста песчано-глинистого состава. Поверхность террасы изрезана оврагами и балками с довольно крутыми склонами.
По рельефным условиям Саратовское Заволжье благоприятно для мелиоративного освоения. Преобладающие уклоны земной поверхности предопределяют выбор способов полива. Так, низкие террасы долины р. Волги (1-я, 2-я, 3-я) характеризуются уклоном 0,001-0,007, а высокие (4-я, 5-я) имеют менее выровненный рельеф с уклоном 0,013-0,005 (Костин Б.Й. и Гребенюков ПГ., 1988). Поэтому для полива может применяться дождевальная машина «Фрегат», предназначенная для полива различных культур, лугов и пастбищ, которую можно использовать на полях со сложным рельефом и уклонами до 0,05. Или же дождевальные установки «Волжанка» и «Днепр ДФ -120», которые наибольшего эффекта достигают на ровных участках с уклоном до 0,02.
Гидрогеологические условия. В долине реки Волги и ее притоков первые от поверхности водоносные горизонты сложены четвертичными песчаными отложениями. Водоносный горизонт современных и верхнечетвертичных отложений расположен в песчано-суглинистыми породах, слагающих пойменную (в основном затопленную водохранилищами) и первую надпойменную террасу р. Волги и ее притоков. Пойма и надпойменные террасы сплошного развития не получили, а встречаются в виде разобщенных вытянутых участков, которые к устьевой части достигают ширины 15-18 км (устье реки Большой Иргиз). Мощность водоносного горизонта изменяется от 2 до 39 м. С глубиной в водовмещаюших песчаных породах увеличивается содержание примесей гальки и гравия до 10-30 %. Водопрово-димость пород 300 м2/сут и более. Коэффициент фильтрации песков 1-5 м/сут, супесей и суглинков соответственно 0,3-0,7 и 0,08-0,2 м/сут.
Подземные воды И, Ш и ГУ надпойменных террас объединяются в единый водоносный горизонт верхне- и среднечетвертичных отложений. В составе террас развиты две толщи: сверху суглинистая 5-25 м и под ней супесчаная 40-50 м. Водоносный горизонт представлен среднезернистыми песками с прослоями мелко- и крупнозернистых песков, в подошве с гравием и галькой. Суммарная мощность водоносного слоя изменяется в широких пределах от 6 до 20 м в притоках Волги до 35-48 м на Iil-IV надпойменньгх террасах. Большая мощность аллювиальных отложений способствует накоплению значительных запасов подземных вод. Водопроводимость пород составляет 100-300 м сут. На второй надпойменной террасе отмечаются районы с суммарной водопроводимостью первого от поверхности водоносного слоя 200-300 ы /сут и более.
Под орошаемыми массивами водопроводимость увеличивается. Так, на Приволжской оросительной системе им. ИЛ. Кузнецова (северный массив) водопроводимость составляет 400-600 м2/сут. Коэффициент фильтрации колеблется от 5 до 25 м/сут. Глубина залегания грунтовых вод изменяется от 10 до 30 м и более, уровень воды уменьшается в сторону русел рек с уклоном 0,002-0,0013. Грунтовые воды гидрокарбонатно-кальпиевые, реже гадрокарбонатно-натриевые с минерализацией до 1 г/л. На небольших участках встречаются слабо-, средне- и сильно солоноватые воды с минерализацией от 1 до 10 г/л.
Почвы Саратовского Заволжья изучались многими исследователями (Пра 52 солов Л.И., 1933, Антшюв-Каратаев ИД, Филиппова В.Н., 1937, Усов Н.И., 1948, Бунтяков СИ, Узун В.Ф., Чуб МЛ., 1966, Алексеева А.Н., 1975). Так как одним из объектов эколого-мелиоративного мониторинга являются почвы, то необходимо знать, какие зональные типы почв представляют изучаемую территорию. В таблице 2.1 представлены основные типы почв Саратовского Заволжья согласно классификации и диагностике почв СССР, 1977г и согласно современной классификации (2004).
Принципы создания и ведения локального мониторинга орошаемых агроландшафтов
Отбор почвенных образцов проводился согласно общепринятым методикам на основании следующих нормативных и методических документов: ГОСТ 17.4.3.01-83 3. "Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб". ГОСТ 28168-89. Почвы. Отбор проб. ГОСТ 17.4.4.02-84. "Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализа". ОСТ 56 81-84. Полевые исследования почвы. Порядок и способы определения работ. Основные требования к результатам. Общесоюзная инструкция по почвенным обследованиям и составлению крупномасштабных почвенных карт землепользования. Разраб.: Почвенный ин-т им. В.В.Докучаева, ГИЗР, Минсельхоз СССР; М., 1973. Методика почвенно-площадного обследования с учетом пространственной и временной изменчивости и Общесоюзная инструкция по почвенным обследованиям и составлению крупномасштабных почвенных карт землепользователей (1973); Ильина ЯП О содержании и методике составления почвенных карт различных масштабов при изображении на них структуры почвенного покрова (1978) Основные положения, учитываемые при отборе проб, были следующие;
1) Картографической основой для отбора проб является план землепользования хозяйства с нанесенными на него элементами внутрихозяйственного землеустройства (полей) и границами почвенных контуров.
2) После рекогносцировочного обследования территория разбивалась на элементарные участки. Элементарный участок представляет собой наименьшую площадь, которую можно охарактеризовать одной объединенной пробой почвы. 3) Форма элементарного участка по возможности должна приближаться к прямоугольной с отношением сторон не более 1:2. Максимально допустимые размеры элементарных участков согласно ГОСТ 28168 для Поволжского региона на орошаемых землях составляет 5 га.
Поэтому на каждом поле по диагонали были отобраны почвенные образцы сплошной колонкой буром из скважины подряд, без пропусков. При этом учитывалось, что, каждый образец характеризует более или менее однородную толщу. Кроме того, границы взятия образцов устанавливались так, чтобы облегчить впоследствии подсчет запасов солей или среднего содержания солей в слоях 0-30 см, 30 - 50 см, 50 - 75 см, 75-100 см. Образцы отбирали из расчета: I смешанный образец с 3 га орошаемой территории. Каждый смешанный образец формировался из 20 индивидуальных образцов, отбираемых равномерно со всей площади поля. При взятии образцов исключались нехарактерные места, такие как площадки из-под куч навоза и прочих удобрений, западины, полосы около дорог, бугров и т.д.
Взятый образец тщательно перемешивался на полиэтиленовой пленке. Затем из него отбирали небольшой объем почвы и высыпали в чистый полотняный мешочек. Эту операцию повторяли при взятии образов почвы из каждой точки поля или участка. Учитывалось, что из всех отдельных образцов в смешанную среднюю пробу должно попасть примерно одинаковое количество почвы. Масса среднего образца 500 г. Смешанный образец помещался в полотняньш мешочек с этикеткой. На этикетке указывалось: дата отбора проб, наименование орошаемого севооборота, наименование поля, слой почвы, в котором отобраны образцы, а также местоположение отбора проб с целью использования в дальнейшем ГИС-технологий, требующих жесткой привязки к местности.
Наблюдения за эколого-мелиоративным состоянием орошаемых земель (2004-2006гг.) и его изменением за период с 1990г по 2006г. (фондовые данные: 1990 и 2001гг материалы Саратовской областной станции химизации, 1997 г.материалы ФГНУ «ВолжНИИГиМ». (Пронько Н.А., 1997)) проводили по следующим показателям: агроэкологические - состояние потенциального плодородия (содержание гумуса), эффективного плодородия (содержание доступных форм основных элементов питания растений в пахотном горизонте), содержание тяжелых металлов и мышьяка в почве; мелиоративные - содержание ионов солей в почвенном растворе и обменных оснований в почвенном поглощающем комплексе; глубина и минерализация грунтовых вод, состав растворенных в них солей.
Химические анализы почв были выполнены в агрохимических лабораториях ФГНУ «ВолжНИИГиМ» (г. Энгельс) и Саратовской областной станции химизации. Методика определения мелиоративных свойств почвы Мелиоративное обследование полей было проведено в соответствии со следующими методиками: Антиггов-Каратаев И.Н., Филиппова В.Н. (1937); Ба-зилевич Н.И., Панкова Е.И. (1970), Кауричев И.С., Папов Н.П., Розов Н.Н.И др. (1989); Методическое руководство по методам контроля и критериям оценки мелиоративного состояния орошаемых земель Поволжья (1991); Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения (2003); Хитров Н.Б. (2004). Оно проюдилось после длительного «сухого» периода, когда максимальное количество солей концентрируется в верхних горизонтах почвы.
Для мелиоративного обследования в образцах почв, отобранных во время съемки, проводились анализы полной водной вытяжки с определением всего состава легко растворимых солей (плотный остаток, СОз, НС03, О, S04, Са, Mg, Na) и содержание солей в почвенно-поглощающем комплексе, в соответствии со следующими методиками: Содержание ионов карбоната и бикарбоната в водной вытяжке определялось в соответствии с ГОСТ 26424-85. Содержание иона сульфата в водной вытяжке согласно ГОСТ 26426-85. Содержание натрия и калия в водной вытяжке согласно ГОСТ 26427-85. Содержание кальция и магния в водной вытяжке согласно ГОСТ 26428-85. Определение суммы поглощенных оснований осуществлялось по методу Каппена. ГОСТ 27821-88. Определение обменного кальция и обменного (подвижного) магния ме 77 тодами ЦИНАО. ГОСТ 26487-85. Содержание обменного натрия согласно ГОСТ 26950-86.
При определения химизма засоления, учитывая, что разные соли неодинаково токсичны для растений, использовали методику определения типа засоления по составу солей (Базилевич Н.Й., Панкова Е,И., 1970; Боровский В.М., Соколенке Э.А., 1981, Мамонтов В.Г., 2002)
Тенденции изменения потенциального и эфффективного плодородия орошаемых земель ЗАО «АФ «Волга» за 1990 - 2006 гг
Вопросы круговорота и баланса питательных веществ в земледелии давно интересовали исследователей. Впервые в России в 1825 г. был издан научный труд «Земледельческая химия», в котором автор, профессор Московского университета М.Г. Павлов, писал, что задачей повышения плодородия почв является увеличение в почве питательных веществ или, по крайней мере, возвращение того, что взято из почвы растениями. (Соколов А. В., 1958).
Проблеме круговорота веществ в земледелии, их балансу много внимания уделял основоположник отечественной агрохимии Д.Н. Прянишников. Он писал, что развитие химической промышленности становится одной из важнейших материальных предпосылок регулирования круговорота веществ в земледелии, их обмена между человеком и природой. Развивая это положение, Д.Н. Пряшпнников отмечал, что если истощение почв в результате нарушения обмена веществ между человеком и землей нарушает «естественное условие постоянного плодородия почвы», то применение удобрений, основанное на крупной химической промышленности, является одним из мощных факторов не только поддержания на постоянном уровне, но и дальнейшего повышения эффективного плодородия почвы. (Прянишников Д. Н., 1962).
Создание необходимых условий для рационального круговорота питательных веществ в земледелии - важнейшая задача агроэкологического мониторинга земель.
В естественных биоценозах достигается замкнутый цикл биогенных элементов, а в искусственных агроценозах происходит разрыв этого цикла в связи с. отчуждением на получение урожая и значительными потерями элементов питания при эрозии, инфильтрации и улетучивании.
Баланс питательных веществ - это количественное выражение содержания питательных веществ в почве на конкретной площади с учетом всех статей их поступления (внесение удобрений, природные источники и т.д.) и расхода (вынос с урожаем, естественные потери: вымывание, смыв, улетучивание и т.д.) в течение определенного промежутка времени.
Поступление питательных веществ обеспечивают следующие источники: 1) минеральные удобрения; 2) органические удобрения; 3) растительные остатки; 4) посевной материал; 5) биологическая фиксация азота клубеньковыми и свободноживущими микроорганизмами; 6) осадки.
В расходной части учитывают: 1) вынос с урожаем основной и побочной продукции; 2) вынос с растительными остатками; 3) вымывание в грунтовые воды и смыв с поверхности; 4) потери в результате возможных эрозионных процессов; 5) газообразные потери и т.д.
Нарушение баланса питательных веществ в земледелии может ухудшить химический состав почвы, природных вод, а, следовательно, и растений. Это в свою очередь может изменить качество, питательную ценность сельскохозяйственной продукции и кормов для животных и привести к функциональным заболеваниям человека и животных.
Поэтому важно правильно управлять круговоротом питательных веществ в земледелии и создавать их активный баланс применением органических и минеральных удобрений, предотвращая их потери в окружающую природную среду. Это одна из важнейших задач создания и применения системы мониторинга для орошаемых агроландшафтов.
В литературе накоплен огромный экспериментальный материал, показывающий тесную зависимость урожайности от уровня гумусированности почвы. На его основе Н. А. Туев (1989) установил, что коэффициент корреляции содержания гумуса в почве с урожаями различных сельскохозяйственньгх культур составляет 0,7-0,8. Еще более существенна роль гумуса в повышении отдачи от применения минеральных удобрений (В.Д. Голубев, 1977, 1987, С.С. Сдобников, 1984, НА Туев, 1989, Л.Н Михайлов, 1992,НАПронько, 1999, G.L. Теппап, MA Brown, 1968идр.).
Оптимальным содержанием гумуса считается такая величина, которая обеспечит устойчивое получение урожая сельскохозяйствешїьгх культур, отвечающего биоклиматическому потенциалу региона, а также сохранит основные параметры, характеризующие плодородие типа почв (Л.Н. Александрова, В.А. Барановская, 1992; НА Титова, ТЛ ЧеснякД980; М.Ш. Шаймухаметов, ОБ. Орлова, 1984).
Исследования по выявлению закономерностей превращения вещества в орошаемых агроэкосистемах проводились на орошаемой темно-каштановой террасовой почве сухостепного Заволжья. В качестве базового выступило хозяйство Саратовского Заволжья ЗАО «Агрофирма «ВОЛГА».
В почве одновременно происходит несколько разно направленных процессов, связанных с разложением (минерализацией), образованием (гумификацией) гумуса. Для объяснения выявленных закономерностей и направленного регулирования запасов гумуса в исследуемых почвах на основе полученной информации о содержании и запасах его в почвах изучаемого участка и данных об урожайности был рассчитан баланс гумуса.
В качестве стандартного слоя, в котором рассматривались и количественно оценивались статьи баланса гумуса, был принят пахотный слой почв 0-30 см. Определение запасов гумуса в слое велось с учетом его равновесной плотности сложения. Для исследуемых почв она составила 1,35 г/см3,
При отсутствии ирригационной эрозии и процессов вторичного осо-лонцевания уравнение баланса гумуса в пахотном слое почв имеет вид: ±Бг=Пг Гп (4.4) где ±Бг баланс гумуса, т/га; Пг - приход гумуса в результате гумификации растительных остатков и органических удобрений, т/га; Гп - расход гумуса в результате его минерализации, т/га. В расходной статье баланса гумуса определялись потери гумуса, рассчитанные на основе размеров выноса культурами звена кормо-зернового севооборота почвенного азота.
Такая статья расхода, как потери гумуса при орошении за счет инфильтрации (24 кг/га - по С.Н. Юркину, 1978) компенсируется суммарным поступлением с атмосферными остатками 6 кг/га, поливной водой - 12 кг/га, семенами - 2 кг/га (В.И. Филин, 1984) и фиксацией азота свободноживущи-ми микроорганизмами - 5 кг/га (Т.Н. Кулаковская, 1990). Поэтому в расчетах она не учитывалась.
