Введение к работе
Актуальность. В результате антропогенного и природного воздействия значительная часть сельскохозяйственных угодий, находящихся в обороте, имеет низкую продуктивность из-за уплотнения и слитизации почв. Особенно интенсивно эти негативные процессы развиваются при орошении.
Современное состояние орошаемых земель по разным источникам оценивается как критическое. По данным Министерства сельского хозяйства Российской Федерации, опубликованным во второй половине 2010 года в Докладе о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения, общая площадь орошаемых угодий составляет 4270 тыс. га, из них: в хорошем состоянии - 2390 тыс. га; удовлетворительном – 1000 тыс. га; неудовлетворительном – 860 тыс. га, из которых не используется более 450 тыс. га по причинам заболачивания, засоления, полной деградации почвенного покрова, вызванной переуплотнением и гумусовым истощением почвы. С 1990 по 2009 годы площадь орошаемых земель с хорошим почвенно-мелиоративным состоянием уменьшилась с 4,09 до 2,39 млн. га, или на 41,5 %, указывая на необходимость совершенствования технологий производства растениеводческой продукции на них.
Применение сельскохозяйственной техники, многократная обработка почвы, излишнее орошение, ориентированное на получение максимальной урожайности возделываемых культур, внесение больших доз азотных и калийных удобрений создают предпосылки для интенсивного разрушения структуры почвы по всему профилю с образованием иллювиальной прослойки на глубине 0,2…0,4 м. Уплотненный слой почвы препятствует распространению корневой системы, снижает объемы аккумулирования продуктивных влагозапасов, доступность растениям влаги и элементов минерального питания из более глубоких горизонтов. При орошении с увеличением плотности почвы уменьшается ее впитывающая способность и, как следствие, интенсифицируется процесс водной эрозии. Поливы дождеванием, даже малыми нормами, вызывают образование поверхностного стока и смыв наиболее плодородного субстрата почвы и удобрений. Скопление воды в понижениях способствует пополнению грунтовых вод, а застойный характер увлажнения почвы – формированию процессов гидроморфизма с нарушением равновесного состояния солевого баланса.
Многочисленные исследования по обработке сельскохозяйственных угодий подтверждают тот факт, что повышение продуктивности угодий происходит за счет увеличения мощности корнеобитаемого слоя почвы путем механического его рыхления, регулярность применения которого без мероприятий, направленных на накопление органики в почве, может вызвать усиление деградационных процессов, обусловленных интенсивной сработкой гумуса.
Специалисты и ученые Российской академии сельскохозяйственных наук РФ А. А. Жученко (1988, 1990, 1994), А. Н. Каштанов (1988, 2001), В. И. Кирюшин (1993, 1995, 2002), И. П. Кружилин (1997, 1999), Н. А. Пронько (2001,2009), В. П. Часовских (1999), А. Яблоков (2001) и другие считают, что идеальной формой интенсификации растениеводства должна быть биологическая система земледелия, при которой высокая продуктивность достигается преимущественно за счет применения органических удобрений, сидератов и использования потенциальных возможностей самого растения. Однако этот путь интенсификации растениеводческого производства требует длительного времени.
Результаты теоретических исследований и накопленный практический опыт свидетельствуют о необходимости дальнейшего совершенствования технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур на орошаемых землях, основу которых должны составлять комплексные мелиоративные мероприятия, направленные как на получение необходимой продукции, так и на повышение плодородия почв.
Рабочая гипотеза, положенная в основу данной работы, состоит в том, что интенсивное восстановление плодородия уплотненных почв на орошаемых землях может быть достигнуто в результате реализации мероприятий, ориентированных на эффективное использование водных ресурсов, биопотенциала сельскохозяйственных культур и комплексных мелиораций, включающих глубокое рыхление с одновременным внутрипочвенным внесением животноводческих стоков (ЖВС).
Цель и задачи исследований. Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование комплексных мелиораций для интенсивного восстановления плодородия переуплотненных деградированных почв на орошаемых землях.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:
- изучить факторы, обусловливающие возникновение процессов уплотнения почв на орошаемых землях, и их влияние на агробиоценоз;
- разработать технологию интенсивного восстановления плодородия уплотненных почв на орошаемых землях, основанную на повышении эффективности использования водных ресурсов, биопотенциала сельскохозяйственных культур и применения комплексных мелиораций, включающих глубокое рыхление почв;
- определить влияние глубокого рыхления почвы на качественные и количественные характеристики её химических, водно-физических свойств и микробиологическую активность;
- выявить закономерности формирования влагозапасов на глубоко-разрыхленных почвах в зависимости от количества атмосферных осадков и различных режимов орошения сельскохозяйственных культур;
- установить закономерности между потребностью растений в воде, их урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов;
- разработать методику расчета потребностей в оросительной воде и обосновать режимы орошения сельскохозяйственных культур на глубокоразрыхленных почвах;
- оценить эффективность применения комплекса мелиоративных мероприятий при интенсивном восстановлении плодородия деградированных уплотненных почв на орошаемых землях.
Объектом исследования является комплекс мелиоративных мероприятий, направленных на интенсивное восстановление плодородия деградированных уплотненных почв и эффективное использование антропогенных энергетических затрат.
Методология исследований. Теоретической и методологической основой работы явились классические труды В. И. Вернадского (1984), В. Р. Вильямса (1948), С. И. Долгова (1969), Н. А. Качинского (1970), А. Н. Каштанова (2001), А. Н. Костякова (1961), А. А. Роде (1965) и других ученых, а также материалы научно-практических конференций и совещаний рабочей комиссии РАСХН по созданию Методического пособия и нормативных материалов для разработки адаптивно-ландшафтных систем земледелия. При проведении исследований использованы принципы системного анализа, позволяющие эффективно решать поставленные задачи.
Научная новизна исследований состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании:
- комплекса мероприятий интенсивного восстановления плодородия деградированных уплотненных почв на орошаемых землях, основанных на адаптационных принципах повышения эффективности использования водных ресурсов, биопотенциала возделываемых сельскохозяйственных культур и реализации мелиораций на фоне глубокого рыхления почв;
- метода вероятностной оценки качества глубокого рыхления почвенного профиля, позволяющего провести сравнительную характеристику реализуемых способов обработки почвы и прогнозировать потребность в них;
- влияния глубокого рыхления на водно-физические, химические свойства и микробиологическую активность почв;
- закономерностей формирования влагозапасов на глубокоразрыхленных почвах в зависимости от количества атмосферных осадков;
- закономерностей и корреляционных соотношений между потребностью растений в воде, их урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов;
- методики расчета потребностей в оросительной воде и проектных режимов орошения сельскохозяйственных культур на глубокоразрыхленных почвах;
- технологии интенсивного восстановления плодородия деградированных почв на орошаемых землях путем применения комплексных мелиораций, обеспечивающих более эффективное использование затрат антропогенной энергии по сравнению с традиционной системой земледелия.
Достоверность научных результатов. Разработанный технологический комплекс мелиорации земель базируется на фундаментальных положениях биологии и законов формирования биоценозов, основных законов земледелия, на принципах адаптивно-ландшафтного земледелия, балансовых методах оценки ресурсных и энергетических потоков. Теоретические исследования подтверждаются многолетними данными натурных экспериментов, их математической обработкой, а также апробацией в производственных условиях.
На защиту выносятся:
- технология интенсивного восстановления плодородия уплотненных деградированных почв на орошаемых землях, основанная на принципах эффективного использования водных ресурсов, биопотенциала возделываемых сельскохозяйственных культур и применения комплексных мелиораций, включающих глубокое рыхление почвы с одновременным внесением животноводческих стоков, и реализуемых без вывода сельскохозяйственных угодий из оборота;
- закономерности и корреляционные зависимости между потребностью растений в воде, их урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов;
- методика установления и расчета потребностей сельскохозяйственных культур в дополнительном увлажнении для получения планируемых (экономически и экологически целесообразных) уровней продуктивности сельскохозяйственных угодий на глубокоразрыхленных почвах.
Практическая значимость. Установленные закономерности и корреляционные зависимости между потребностью растений в воде, их урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов, методика расчета потребностей сельскохозяйственных культур в дополнительном увлажнении для получения планируемой (экономически и экологически обоснованной) продуктивности сельскохозяйственных угодий позволяют обосновывать параметры высокоэффективной ресурсосберегающей комплексной технологии интенсивного восстановления плодородия уплотненных деградированных почв на орошаемых землях без вывода их из оборота и получать в восстановительный период от 6,7 до 10 т к.е. /га качественных кормов.
Личный вклад автора заключается в разработке нового направления комплексных мелиораций – технологии интенсивного восстановления плодородия деградированных почв на орошаемых землях, обеспечивающей более эффективное использование затрат антропогенной энергии по сравнению с традиционной системой земледелия; в оценке влияния глубокого рыхления на водно-физические, химические свойства почв и их микробиологическую активность; в установлении закономерностей формирования влагозапасов на глубокоразрыхленных почвах в зависимости от количества атмосферных осадков; в установлении закономерностей и корреляционных соотношений между потребностью растений в воде, их урожайностью и эффективностью использования водных ресурсов; в разработке методики расчета потребностей в оросительной воде и проектных режимов орошения сельскохозяйственных культур на глубокоразрыхленных почвах.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные теоретические положения и результаты исследований доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях, проводившихся в Абакане (1989, 2007), Коломне (2003, 2004, 2007), Курске (2000, 2001), Майкопе (2004), Москве (1998, 2002, 2005, 2006, 2007, 2007, 2008, 2009), Рязани (1990), Фрунзе (1990), Ханты-Мансийске (2003), Херсоне (1993); на Всесоюзной научно-практической конференции молодых ученых по проблемам мелиорации земель, посвященной 100-летию со дня рождения А. Н. Костякова [Москва, 1987]; на Всероссийском совещании по теме «Экологические основы орошаемого земледелия» [Москва, 1992]; на заседании Координационного совета по системам земледелия на ландшафтной основе при ВНИИЗиЗПЭ РАСХН [Курск, 2000, 2001]; на международных научно-практических конференциях «Костяковские чтения» [Москва, 1989, 2002, 2007, 2008, 2009] и ряде других научно-практических региональных и международных конференциях (1984 – 2009 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 54 печатных работах, в том числе 12 – в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, монографии; получено 2 патента.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству; изложена на 278 страницах, содержит 62 рисунка и 83 таблицы, основная часть которых размещена в приложениях. Список литературных источников включает 320 работ, в том числе 15 – зарубежных авторов.
