Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ МЕЛИОРАТИВНОГО ОСВОЕНИЯ ПОЧВ БОЛОТНЫХ СИСТЕМ (Литературный обзор)
1.1. Технологии осушения торфяных почв, их особенность в условиях Западной Сибири 12
1.2. Водный режим торфяных почв при осушении (УГВ, g, W) 22
1.3. Тепловой режим торфяных почв 38
1.4. Криогенез торфяных почв 47
1.5. Водопроницаемость мёрзлых торфяных почв 57
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОБОСНОВАНИЯ МЕТОДОВ МЕЛИОРАЦИИ ДЛИТЕЛЬНО СЕЗОННО-МЕРЗЛОТНЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ
2.1. Условия образования и функционирования болот в подтайте и лесостепи Западной Сибири 64
2.2. Вопросы гидрологического режима осушаемых болотных систем 84
2.3. Теоретические аспекты мерзлотных процессов осушаемых болотных систем 102
2.4. Проблема деградации органогенных почв осушаемых болотных ландшафтов 109
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И'МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Объекты стационарных экспериментов 117
3.2. Методы исследований 143
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ ОСУШЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА ОСУШАЕМЫХ ДЛИТЕЛЬНО СЕЗОННО-МЕРЗЛОТНЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ
4.1. Погодные условия в годы исследований 151
4.2. Режим грунтовых вод 163
4.3. Режим грунтово-напорных вод 183
ГЛАВА 5. МЕЛИОРАТИВНАЯ СИСТЕМА С ПОЗИЦИЙ ГИДРОЛОГИЧЕС КОГО РЕЖИМА ОСУШАЕМЫХ БОЛОТНЫХ СИСТЕМ
5.1. Поверхностный сток с осушаемых торфяных почв 193
5.2. Режим дренажного стока 196
5.3. Режим влажности и аэрации почвы 219
ГЛАВА 6. ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ОСУШЕНИЯ С ПОЗИЦИЙ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВ АНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ДЛИТЕЛЬНО СЕЗОННО-МЕРЗЛОТНЫХ ОСУШАЕМЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ
6.1. Криогеыез осушаемых торфяных почв 239
6.2. Оттаивание осушаемых торфяных почв 251
6.3. Влияние мерзлоты на осушающее действие дренажных систем в весенний период 257
6.4. Температурный режим осушаемых длительно-мерзлотных торфяных почв 265
ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ НА ДИНАМИКУ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ДЕЯТЕЛБНОГО СЛОЯ ТОРФЯНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ
7.1. Изменение водно-физических свойств длительно сезонно-мерзлотных низинных торфяных почв при их осушении 283
7.2. Осадка и сработка осушаемых торфяных залежей при длительном воздействии антропогенных факторов 302
7.3. Методы определения расстояний между дренами при осушении
торфяных почв 307
7.4, Учёт климатических особенностей территорий при определении
расстояний между дренами 312
ГЛАВА 8. ПУТИ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСУШАЕМЫХ ПОЧВ БОЛОТНЫХ СИСТЕМ
8.1. Влияние водного режима осушаемых торфяных почв и удобрений на продуктивность сельскохозяйственных культур 319
8.2. Влияние параметров мелиоративных систем при сельскохозяйственном использовании осушаемых почв на урожайность трав 325
8.3. Экономическая эффективность инвестиционных проектов мелиорации торфяных ночв 335
8.4. Энергетическая оценка методов мелиорации длительно сезонно-мерзлотных торфяных почв 347
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 355
ЛИТЕРАТУРА 362
ПРИЛОЖЕНИЯ 406
- Технологии осушения торфяных почв, их особенность в условиях Западной Сибири
- Условия образования и функционирования болот в подтайте и лесостепи Западной Сибири
- Объекты стационарных экспериментов
- Погодные условия в годы исследований
- Поверхностный сток с осушаемых торфяных почв
Введение к работе
Перспективы развития производительных сил Западной Сибири и комплексного использования её природных богатств, требуют ускоренного развития сельскохозяйственного производства, ведущей отраслью которого является животноводство.
Возможности расширения кормовых угодий за счёт земель, не требующих мелиорации, крайне ограничены, особенно в зоне достаточного увлажнения, где болота и заболоченные почвы занимают свыше 50 % территории (Л.Н.Каретин, 169). Поэтому в этом регионе мелиорация болотных геосистем в современных условиях и на перспективу особенно актуальна и рассматривается как один из решающих факторов устойчивого увеличения производства продукции сельского хозяйства.
Региональные особенности почвенно-климатических условий Западной Сибири, глубокое длительное промерзание, недостаточная теплообеспеченность в период активной вегетации сельскохозяйственных культур, а также слабая изученность вопросов мелиорации и отсутствие научно обоснованных рекомендаций по осушению и освоению торфяных почв создают значительные трудности для их эффективного использования.
Одной из сложных задач является разработка надёжных, экологически безопасных способов осушения болот, создающих минимальное отрицательное воздействие на окружающую природную среду, обеспечивающих оптимизацию почвенных режимов, в частности эффективность действия мелиоративных комплексов в ранние весенние периоды. Заимствование рекомендаций по этим вопросам из других регионов страны (без учёта местных условий и соответствующей проверки) не всегда даёт положительные результаты.
В настоящее время значительная часть осушаемых торфяных почв, которых насчитывается в Западной Сибири свыше 300 тыс. га, не используется в сельскохозяйственном производстве и на довольно большой площади требуется проведение ряда мелиоративных мероприятий с целью обеспечения проектной уро-
6 жайности сельскохозяйственных культур. Всем этим определяется необходимость научного подхода к решению сложных задач, возникающих при мелиоративном освоении таких угодий,
Мелиоративные мероприятия должны быть направлены на создание устойчивых и продуктивных агроландшафтов, отвечающих требованиям не только экономической, но и экологической эффективности. Основными критериями при этом, выступают комплексность, ландшафтность, экологичность и ресурсосбережение (239,178,179).
Специфика функционирования болотных почв при техно - и агрогенезе предопределяет необходимость создания на них высокопродуктивных сеяных лугов. Залужение на длительные сроки без перепашки и нового посева исключает возможность водной и ветровой эрозии, уменьшает минерализацию органического вещества. Поэтому создание луговых агроценозов на осушенных болотах наиболее полно отвечает принципам рационального использования и охраны почв.
Интенсивное вовлечение болотных ландшафтов в сельскохозяйственное производство потребовало постановки и проведения многолетних комплексных стационарных исследований для детального изучения гидротермического режима почв, элементов водного баланса зоны аэрации, водно-физических свойств почв, а также определения расчётных характеристик, применяемых при проектировании мелиоративных комплексов. Конечная цель всех исследований направлена на разработку теоретических основ и рекомендаций по оптимизации гидротермического режима и режима аэрации торфяных почв в специфических условиях рассматриваемого региона. Необходимы они и для обоснования и выявления тех изменений почвенных процессов, которые произойдут в почвах на территории мелиоративного воздействия (456). В случае отрицательных последствий своевременно вносятся управляющие коррективы.
По нашему мнению, только опираясь на интегративный анализ фактического материала и имеющейся опыт при необходимом теоретическом обосновании, можно уточнить методы мелиорации болотных систем.
Гипотеза: предполагается, что длительные, комплексные, исследования в области осушительных мелиорации болотных ландшафтов в Западно-Сибирском регионе позволят достоверно познать сущность процессов, происходящих в осушаемых длительно-мерзлотных почвах, научно обосновать методы мелиорации болотных систем и в конечном, итоге минимализировать негативное влияние их на окружающую природную среду.
Цель исследований: научное обоснование методов и способов мелиорации длительно сезонно-мерзлотных почв болотных систем с установлением оптимальных параметров и основных критериев их оценки, обеспечивающих экологическую безопасность и стабилизацию устойчивого сельскохозяйственного производства, а также прогнозирование динамики трансформации торфяных залежей при их мелиорации.
Задачи исследований: проанализировать и обобщить теоретические и экспериментальные материалы о технологиях регулирования гидротермического режима гидроморфных почв в нашей стране и за рубежом, о природе болот (генезисе, свойств основных компонентов); установить особенности формирования элементов гидрологического режима осушаемых болотных комплексов надпойменных террас Западно-Сибирской низменности; обосновать влияние гидротехнических мелиорации на процессы криогенеза длительно-мерзлотных торфяных почв, формирование теплового режима корне-обитаемой зоны, разработать способы их расчёта и прогнозирования, оценить фильтрационные способности мёрзлых торфов и предложить метод расчёта; определить влияние гидротехнических мелиорации на динамику водно-физических свойств длительно сезонно-мерзлотных торфяных почв Западной Сибири и установить основные причины их деградации; разработать адаптивный мелиоративный комплекс для осушения длительно сезонно-мерз лотных почв болотных систем с грунтово-напорным типом водного питания; обосновать инженерно-экономическими и энергетическими расчётами эффективные способы мелиорации длительно сезонно-мерзяотных почв.
Научная новизна: впервые для условий подзон лесостепи и подтайги Западной Сибири научно обоснованы методы и способы мелиорации длительно сезонно-мерзлотных торфяных почв с позиций взаимосвязи элементов гидротермического режима органогенных почв, криогенных процессов и экологической безопасности болотных ландшафтов, разработан адаптивный мелиоративный комплекс для осушения болотных ландшафтов, который включает: мелиоративную систему, снегозадержание и профилирование поверхности для регулирования поверхностного стока, структурную мелиорацию для регулирования температурного режима корнеобитаемого слоя почвы; экспериментально обоснована высокая эффективность конструкций закрытых дренажных систем и целесообразность увеличения глубины заложения дрен при осушении длительно сезонно-мерзлотных почв с грунтово-напорным типом водного питания в условиях Западной Сибири, предлагаются их оптимальные параметры и расчётные периоды действия. На основе водного баланса изучена роль грунтово-напорных вод в водном питании болотных систем данного региона, залегающих на низкого уровня надпойменных террасах. Установлены закономерности изменения дренажного стока при атмосферно-склоновом и грунто-во-напорном типах водного питания; изучено влияние гидротехнических мелиорации на криогенные процессы в длительно сезонно-мерзлотных торфяных почвах. Разработаны расчётные зави- симости для прогнозирования их развития. Установлена региональная специфика весеннего перераспределения влаги в осушаемых длительно сезонно-мерзлотных почвах, которая должна учитываться при расчёте гидротехнических сооружений и описании природных процессов. Разработана методика расчёта и прогнозирования фильтрационной способности мёрзлых торфов; установлена роль осушительных мелиорации в формировании термического режима длительно сезонно-мерзлотных почв. Предлагается метод расчёта и прогнозирования температурного режима корнеобитаемой зоны торфяных почв в вегетационный период; выявлены закономерности динамики водио-физических свойств и гидротермических режимов длительно мерзлотных торфяных почв в подзонах лесостепи и подтайги Западной Сибири под влиянием осушительных мелиорации и разработаны зависимости, позволяющие их прогнозировать; дана инженерно-экономическая и энергетическая оценка эффективности способов мелиорация длительно сезонно-м.ерзлотных торфяных почв Западной Сибири.
Основные положения, выносимые на защиту;
Научно-экспериментальное обоснование методов и способов мелиорации длительно-мерзлотных почв болотных систем Западной Сибири, обеспечивающих повышение продуктивности осушаемых почв с позиций взаимосвязи элементов гидротермического режима органогенных почв, криогенных процессов и экологической безопасности болотных ландшафтов.
Обоснование параметров дренажных систем при осушении длительно сезонно-мерзлотных почв, позволяющих поддерживать оптимальные: водно-воздушный, температурный и пищевой,режимы почв болотных систем.
Закономерности формирования гидротермического режима органогенных почв, криогенных процессов, водно-физических свойств торфяных почв при проведении мелиорации.
4. Методика расчёта и прогнозирования фильтрационной способности мёрзлых торфов.
5. Технические решения, направленные на повышение эффективности гидро технической мелиорации почв болотных ландшафтов надпойменных террас рек Западно-Сибирской низменности, формулы расчёта элементов водного баланса.
Практическая ценность и реализация научно-исследовательских данных. Диссертационная работа в значительной мере связана с выполнением государственных научных программ по разработке методов и технических средств освоения переувлажненных земель (№ ГР. 01.83.0028400, № ТР. 01.83.0028398), а также темы 02.05.Н 1 проблемы 0.85.06 и темы 02.03.Н 2 проблемы 0.52.01.
Результаты исследований использовались при подготовке рекомендаций: «Расчёт водного режима при проектировании осушения на мощных и средне-мощных низинных торфяниках Тюменской области» (1981), «Система ведения сельского хозяйства Тюменской области» (1987) и «Зональная система земледелия Тюменской области» (1989). Реализованы в более 30 проектах осушительных систем, разрабатываемых институтом «Тюменьгипроводхоз» и ФГУП «Тюменьводхоз», используются при строительстве и эксплуатации водохозяйственных и мелиоративных объектов в Тюменской области. Ряд положений диссертации применяются «Главным управлением охраны природы по Тюменской области» при проведении экспертизы проектов осушения.
Полученные результаты позволяют эффективно использовать болотные почвы Западной Сибири и капитальные вложения при их мелиоративном освоении.
Апробация работы. Основные теоретические положения и материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на совещаниях, научных конференциях, на заседаниях секций и ученых советов научно-исследовательских и учебных институтов проводившихся в Москве, Красноярске, Кургане, Омске, Ставрополе, Тюмени.
Наибольшее количество докладов было сделано в рамках заседаний учёного совета Западно-Сибирского филиала ВНИИГиМ (1978-1991 гг.), Западно-
11 Сибирского НИИ Мелиорации и рационального природопользования (1992-
1996 гг.), научно-технических советов Тюменьгипроводхоза, ФГУП Тюменьвод- хоза, секции осушения ВНИИГиМ (г. Москва).
Основные положения диссертации докладывались на региональных и зональных научно-практических конференциях по мелиораци земель Западной Сибири и пути повышения их использования (1978), по повышению эффективности сельскохозяйственного производства, которые проводились Тюменской сельхозакадемией и НИИСХ Северного Зауралья (г. Тюмень, 1979, 1980, 1982, 1983, 1990-1999), на научно-практической конференции по водохозяйственному строительству (г, Омск, 1990), региональном заседании секции осушения ВАСХНИЛ (г. Тюмень, 1981), на координационном совещании по вопросам надёжности и эффективности действия осушительных систем в экстремальных природных условиях (г. Хоби, Грузия, 1984), на международной конференции по проблемам сохранения и деградации почв (г. Ставрополь, 2003).
Основное содержание работы опубликовано в 35 статьях общим объёмом около 12 п.л.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, рекомендаций производству; изложена на 360 страницах, содержит 41 рисунок, 41 таблицу и 30 приложений. Список литературы включает 493 наименования, в том числе 21 работа зарубежных авторов.
Технологии осушения торфяных почв, их особенность в условиях Западной Сибири
В сельскохозяйственном фонде России, по приближённым оценкам, насчитывается 26 млн. га болот и заболоченных земель, а также 57 млн. га низинных болот, находящихся в лесном фонде. Общая суммарная площадь земель нуждающихся в мелиоративном освоении составляет 83 млн. га. По состоянию на 1990 г. в России было осушено 5,1 млн. га переувлажнённых земель, из них около 2 млн. га болот (241).
На территории Западной Сибири низинные и переходные болота занимают 33,3 млн. га (386). Почвы этих гидроморфных систем обладают высоким потенциальным плодородием и считаются важным резервом создания кормовой базы (152, 159,298,309,404).
Исследования последних лет показали, что болота активно растут. Вертикальный прирост варьирует от 0,5 до 5 мм в год, что составляет до 25 млн. тн/год (258). Освоение таких почв связано со значительными трудностями, В сферу мелиоративной деятельности, кроме земель вовлекаются значительные объёмы водных, трудовых и других материальных и энергетических ресурсов. Всё это приводит не только к «коренному улучшению земель», но и к существенному изменению свойств природной, социальной, экономической и других сред. Поэтому, повышение народнохозяйственной эффективности мелиорации неразрывно связано с необходимостью полного и всестороннего учёта вышеназванных аспектов мелиоративной деятельности (353).
Анализ развития мелиоративной науки и научно-технических достижений в области осушительных мелиорации в период 1966-1990 гг. показывает, что они связаны с преимущественным применением закрытого дренажа. Тем не менее, в некоторых регионах приоритет отдают открытым каналам хотя, например, в Европейских странах осушение торфяных почв закрытым дренажом считается основным.
В Эстонии при осушении маломощных торфяников, подстилаемых песками с хорошей водопроницаемостью, взамен открытой осушительной сети с расстояниями между каналами 60-500 м устраивают закрытый дренаж из труб большого диаметра или дренажные собиратели с минимальным уклоном 0,01, глубиной 1,0-1,2 м и длиной 500-1000 м (409, 410, 424).
Интенсивное осушение торфяных почв в Литве осуществляется также в основном закрытым гончарным дренажом в сочетании с кротованием. Глубокие низинные болота после предварительного подсушивания и основной осадки торфа осушают дренажными системами с глубиной заложения дрен 1,3-1,4 м и расстоянием между ними в хорошо разложившемся торфе 25-30 м, в малоразло-жившемся - 30-35 м (122, 374, 375, 450, 451). Открытая осушительная сеть с дополнительным кротованием применяется при использовании болотных массивов для сенокосов. Каналы прокладывают на глубину 1,5-1,8 м с расстоянием между ними 150-170 м. Там, где нельзя проводить кротование, расстояние между каналами уменьшается до 80-100 м (58, 223). В условиях Белоруссии при осушении торфяных почв, подстилаемых суглинками, редкая сеть глубоких каналов не обеспечивает требуемого для сельскохозяйственных культур понижения уровня грунтовых вод. Поэтому открытую сеть каналов дополняют закрытым дренажом с расстоянием между дренами 40-60 м (14, 127, 138, 139, 141), При осушении низинных болот грунтового безнапорного питания, подстилаемых мощным слоем хорошо водопроницаемого песка, необходимого понижения уровня грунтовых вод даже для самых требовательных сельскохозяйственных культур можно достичь редкой (в зависимости от водонепроницаемости подпочвы, глубины торфа и залегания водоупора) сетью каналов через 300-500 м, врезающихся своим дном в подпочву. В случае большой глубины торфа его иногда осушают глубокими каналами (2,0-2,5 м) не доходящими до подпочвы.
В зоне Украинского и Белорусского Полесья, В.И.Селезнёв (377), О.В.Скрипник, М.А.Солопко (382) предлагают более совершенный вид осушительных и осушительно-увлажнитсльных систем на основе применения безуклонного и малоуклонного дренажа, что позволяет уменьшить глубину каналов до 1,4-1,5 м, увеличить расстояния между открытыми коллекторами до 800-1200 м и, соответственно, площади, ограниченные каналами, до 500 га.
Условия образования и функционирования болот в подтайте и лесостепи Западной Сибири
Почвенный покров Западной Сибири сложен и многообразен. В гумидной зоне широко распространены важные в мелиоративном отношении группы почв: автоморфные и гидроморфные. Характеристика почвенного покрова в одном из наиболее обширных регионов, Тюменском, приведена на рис. 2.2. Уникальные природно-климатические условия рассматриваемой территории способствовали повсеместному распространению гидроморфных почв, среди которых доминирующее значение имеют органогенные почвы. По концентрации болот, их расположению и интенсивности болотообразования, начавшегося ещё в начале голоцена и активно продолжающегося в наши дни, Западная Сибирь не имеет аналогов. Крупные массивы болот, соединяясь между собой, образуют целые системы, занимающие огромные площади. Заболоченность территории и агрессивность болотных массивов обусловлены на Западно-Сибирской равнине общими природными условиями. Современные торфяники являются важной частью биосферы и имеют огромное значение для сохранения экологического равновесия в природе (123, 152, 212, 213).
Возросшие технические возможности осуществления мелиоративного освоения болот, а также изменившиеся в последнее время представления о главных природных причинах заболоченности региона и путях их преодоления ставят проблему комплексного использования территории. Эта проблема охватывает широкий круг теоретических, научно-практических и прикладных вопросов. Их решение поможет найти оптимальные пути рационального использования и освоения земельных ресурсов Западной Сибири.
В подтаёжной и лесостепной подзонах с преобладанием низинных болот, вовлечение их в оборот па основе широких мелиорации позволит интенсифицировать сельскохозяйственное производство и значительно расширить площади под культурами, пастбищами и продуктивными лугами.
Климатические условия образования и развития болот. Интенсивность и направленность процессов образования болот, а также естественного разболачива-ния территорий тесно связаны с периодическими и непериодическими колебаниями климата. В связи с этим изучение климата Западной Сибири в период голоцена (период образования и развития болот) представляет особый интерес. Исследования по реконструкции климата за геологический и современный периоды - это сложнейшая проблема, решение которой проводилось методами палеотемпературной реконструкции Л.И.Сверловой (371), гидролого-климатических расчётов В.С.Мезенцева (254, 255) и другими. В основу этих методов положены составляющие теплового и водного баланса, колебания температуры воздуха (отклонения от средних значений) на различных этапах развития Земли.
Исследования названных авторов позволили выявить в динамике палео-климага направленные циклические изменения, указывающие на значительные колебания и достаточно плавный переход от холодных и влажных периодов к тёплым и засушливым. Изменения климата в голоцене и процесс болотообразо-вания выяснены, главным образом, применительно к наиболее контрастным болотным зонам гидроморфного и ксероморфного типов.
В среднем голоцене (от 2500 до 7700 лет назад) в соответствии с устойчивым преобладанием ресурсов влаги над притоком тепла в болотных зонах гидроморфного типа отмечались условия постоянного, избыточного увлажнения с избытками влаги, изменявшимися от 55 до 215 мм, и коэффициентами увлажнения от 1,09 до 1,39. Вместе с тем, этот период, согласно хода составляющих теплового и водного балансов, является и наиболее тёплым, поэтому процесс болотообразования в среднем голоцене шёл активно.
Обосновываясь на ходе кривых теп ла и влаги в Западной Сибири в голоцене можно выделить четыре различных периода болотообразовательных процессов и, соответственно, торфонакопления.
Объекты стационарных экспериментов
Природно-хозяйственное различие в пространстве осваиваемых земель Западной Сибири, динамика многих параметров осушаемых почв во времени вызывает необходимость: уточнения норм проектирования, расчёта элементов осушительных систем, разработки научно обоснованных рекомендаций по оптимальному и экономически эффективному регулированию водно-воздушного и теплового режимов почв, исследований криогенеза длительно -мерзлотных торфяников и его влияния на почвенные режимы. Решение этих вопросов немыслимо без постановки длительных комплексных стационарных исследований, в сельскохозяйственной зоне Западной Сибири.
Первые гидротехнические работы по обводнению переселенческих участков в Ишимской степи и мелиоративному оздоровлению заболоченной территории Барабы были выполнены экспедицией И.И.Жилинского (1895-1904 гг.). За десять лет в Барабинской степи была закончена систематическая канализация восточной и южной части Барабы на площади до 1417 тыс.га, Для проверки эффективности мелиорации в 1896 году на Кошкобинском болоте было создано опытное поле. Опыты длились два года (1897-1898 гг.). Были получены первые положительные результаты осушения и освоения займища.
Несмотря на значительный мелиоративный фонд низинных болот Западной Сибири, дальнейшее их изучение и освоение было начато лишь в тридцатые годы XX века, В это же время были построены и первые два стационара, на которых выполнялись систематические наблюдения за гидротермическими режимами осушенных и целинных болот. В таёжной зоне Томской области на обширном, долинном Суховском болотном массиве, расположенном на второй надпойменной террасе р.Бокчар, в 1934-1935 гг. была осушена территория площадью 588 га. Осушение выполнено сетью открытых каналов с расстоянием 100 м и глубиной 1,0-1,8 м. Исследования по освоению торфяных почв проводились на экспериментальном участке, который осушался каналами с расстояниями 25, 50, 75 и 100 м и глубиной 0,9-1,2 м (106).
Примерно одновременно с Бокчарским стационаром (Суховское болото) в лесостепной зоне Барабииской низменности были начаты систематические наблюдения Убинской опытно мелиоративной станцией на Карапузском болоте, имеющем атмосферно-намывной тип водного питания. В 1933 году на территории станции, на небольшой площади, была построена мелкая открытая осушительная сеть с глубиной каналов до 1 м. Мелиоративная система оказалась в подпоре от Карапузского канала вследствие его засорения и заиления. Это затруднило получение достоверной и полноценной информации о формировании гидротермических режимов осушаемых торфяных почв.
В послевоенные годы (1944-1953 гг.), в связи с расширением и укреплением кормовой базы в Западной Сибири, проводилось комплексное обследование Барабинской низменности в целях разработки методов её хозяйственного устройства и мелиорации болот и заболоченных земель. Для решения поставленных задач, в 1948 году было закончено восстановление Карапузского канала и построена экспериментальнная открытая осушительная система с расстояниями между каналами 60, 100 и 200 м глубиной 0,8 м. В эти и последующие годы были получены обширные фактические материалы по водно-физической характеристике, водно-солевому и температурному режимам болотных почв Барабы. В результате, коллективом научных работников, в конце сороковых годов была разработана научно - обоснованная схема мелиорации Барабинской низменности (320). К сожалению, эта хорошая работа была забыта.
Дальнейшие исследования в области осушительных мелиорации в Западной Сибири, в основном связаны с созданием в Тюменской области в 1968-1969 гг. филиала ВНИИГиМ. За годы существования филиала были построены опытные участки с открытой и закрытой регулирующей сетью. Закрытые дрены выпоне-ны из пластмассовой плёнки, гладких перфорированных труб, гончарных труб. Оценка типичности объектов исследований определялась, как вероятность их принадлежности к эталону выбранного класса объектов и вычислялась по формуле (Шабанов, 1971);
Погодные условия в годы исследований
Для сельскохозяйственной зоны Западной Сибири характерен континентальный климат, который формируется под воздействием сухих воздушных масс Центральной Азии и Казахстана и холодных, арктических - с севера. Особенностями климата подтаёжной и лесостепной подзон являются: холодная продолжительная зима с устойчивым снежным покровом, тёплое, но непродолжительное лето, короткие весна и осень. Повышение температуры воздуха весной часто прерывается резкими похолоданиями, вызываемыми вторжениями арктических масс воздуха. Заморозки наблюдаются до конца мая, а в отдельные годы и до июля. Первые осенние заморозки отмечаются во второй - третьей декадах сентября. На пониженных элементах рельефа они прекращаются на 5-Ю дней позднее и начинаются на 5-15 дней раньше.
Климат подтайги отличается хорошим и умеренным увлажнением. Годовая сумма осадков составляет 400-560 мм, из которых 340-360 мм выпадает в тёплый период. Характерной особенностью распределения осадков в период вегетации является их неравномерность, большая часть (до 70%) выпадает во вторую его половину. Сумма среднесуточных, положительных температур воздуха выше 10С составляет 1600-1885С. Испаряемость достигает 450-500 мм. Гидротермический коэффициент равен 0,8-1,0, годовой радиационный баланс-1195 МДж/м2, радиационный индекс сухости-1,2. Безморозный период составляет 112-120 суток. Устойчивый снежный покров образуется в первой декаде ноября. Мощность его увеличивается медленно и достигает максимума 0,35-0,45 м в конце марта. Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом составляет 155-165 суток, который заканчивается в основном к середине апреля. Запасы воды в снеге изменяются от 80 до 110 мм. Почва полностью оттаивает во второй половине мая - в первой декаде июня.
Климат лесостепной подзоны типично континентальный, тёплый, удовлетворительно увлажнённый. Увлажнение почти полностью зависит от влаги, приносимой западными воздушными потоками. Для территории характерны резкие изменения погоды, особенно весной и осенью и общая неустойчивость климата. Вегетационный период составляет 150-160 суток. Общая продолжительность весны и осени короче, чем в подтаёжной подзоне в среднем на 10 суток. Южные районы подзоны по количеству часов солнечного сияния (до 2019 ч) не уступают центральным районам Украины, что имеет большое значение и весьма своеобразно сказывается на росте и развитии растений. Сумма средних суточных температур воздуха за период с температурой выше 10С 1835-2038С. За годы выпадает 320-370 мм осадков, причём более половины выпадает в тёплое время года, только в мае - июне около 180-200 мм. Суммарное испарение составляет 285 мм. Радиационный баланс равен 1230-1240 МДж/м , радиационный индекс сухости - 1,4, гидротермический коэффициент 1,0-1,3. Территория подвержена засухам и суховеям (вероятность 90-100%). Появление снежного покрова совпадает с датой перехода температуры воздуха через 0 С. На юге лесостепной подзоны устойчивый снежный покров устанавливается в конце второй декады ноября. Средняя высота его к концу марта составляет 0,26-0,35 м. Разрушение снежного покрова начинается в третьей декаде марта - первой декаде апреля. Число дней со снежным покровом равно 150-160. Запасы воды в снеге составляют 70-80 мм. Почвенный покров оттаивает в первой - второй декадах мая, в неблагоприятные годы в третьей декаде июня.
Стационар Усадка. Исследования проводились в 1978-2004 гг. Метеорологические условия в годы исследований были различными, что способствовало наиболее полноценному и достоверному установлению влияния параметров мелиоративных систем на формирование почвенных режимов. Во все годы наступление устойчивых отрицательных температур воздуха происходило в последних числах октября. Формирование устойчивого снежного покрова на осушаемой территории было характерным для зоны и происходило в первой декаде ноября. Увеличение его было постепенное, к середине декабря составляло 0,1-0,15 м, к концу зимнего периода достигало 0,3-0,65 м. Исключение составляет зима 2000 года, когда снежный покров сформировался в конце декабря. Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом на опытном участке в среднем на 5-8 дней была больше, чем на рядом расположенных минеральных землях. Данные по термическому режиму в первые месяцы зимних периодов показывают, что во все годы в ноябре температура воздуха превышала норму на 1-4,2 С (прил.1, 2). В декабре 1978, 1984, 1986 гг. отмечалась повышенная циркуляция холодных атмосферных фронтов воздуха с севера, вследствие этого температура воздуха была ниже среднемноголетней величины на 3,8-8,9 С. При незначительной мощности снежного покрова (0,1-0,15 м) это способствовало высокой интенсивности промерзания почв. В январе только в течение двух лет (1979 и 1980 гг.) наблюдалась более низкая температура (на 1,5 и 1,9 С) в сравнении со среднемноголетним значением, в остальные годы температура воздуха была выше среднемноголетней на 2,3-7,7 С.
Поверхностный сток с осушаемых торфяных почв
В формировании гидрологического режима болот принимают участие два слоя торфяной залежи, резко различающиеся по водно-физическим свойствам верхний - «деятельный» и нижний - «инертный» (130, 222). Роль инертного горизонта в стекании вод с естественных болотных массивов мала. Его необходимо учитывать (процесс влагообмена с деятельным слоем) при расчётах средних, многолетних значений составляющих водного баланса болот. Эти выводы согласуются с результатами наших исследований. Вместе с тем величина коэффициента фильтрации инертного слоя по нашим данным на порядок выше значений фильтрационных свойств торфяной залежи, полученных К.Е.Ивановым К.Е.(ІЗО). В случаях, когда болото подстилается песками, через которые происходит разгрузка подземных вод в речную сеть, инертный слой может играть существенную роль в водном режиме болот.
При осушении деятельный слой целинных болот коренным образом преобразуется и нижняя его граница понижается на глубину осушения до 1-2 м, занимая часть инертного горизонта, где происходят колебания уровней грунтовых вод, изменение влагозапасов и формируется дренажный сток. По величине и продолжительности дренажного стока можно судить о влиянии мелиоративных систем на водный режим преобразованного деятельного слоя.
Гидрологический режим болотных ландшафтов обусловлен в основном поверхностным и дренажным стоком. При этом осушение и освоение болот уменьшает поверхностный сток и увеличивает сток грунтовых вод. Исследованиями В.Ф.Шебеко (443) в Полесье установлено, что на освоенных, осушенных болотах 35 % общего количества талого снега и осадков поступает в грунтовые воды, в то время как на неосушенных болотах - только 6 %. Ещё более значимые результаты приводят Т.И.Даишев (89) и Ц.Н.Шкинкис (450).
Многолетние наблюдения за поверхностным стоком на болотах подтаёжной и лесостепной подзон Западной Сибири позволили нам отметить особенности в его формировании. Во-первых, на осушаемых торфяных почвах поверхностный сток наблюдается только в периоды снеготаяния, в летние и осенние месяцы даже при выпадении осадков 250-300 % от нормы сток отсуствует. Во-вторых, он образуется лишь на слабо осушенных массивах. На площадях с интенсивным осушением стока нет. Вследствие низкого положения грунтовых вод активный слой торфяной залежи обладает большой водо аккумулирующей ёмкостью способной принять все поверхностные воды, а мёрзлый горизонт не является водонепроницаемым слоем, Наличие свободных ото льда пор, кротовин, талых воронок обеспечивает довольно высокую фильтрацию талых вод.
По многолетним данным на осушаемых болотных массивах подтаёжной и лесостепной подзон рассматриваемого региона коэффициенты поверхностного стока варьировали в диапазоне от 0 до 0,82 соответственно при интенсивном и слабом осушении торфяных залежей (табл. 5.1). На болотных почвах с атмосферно-склоновым питанием его значения не превышали 0,14-0,36. С увеличением мощности мёрзлого горизонта, поверхностный сток возрастает и наоборот. Это наиболее наглядно проявляется на недосушенных почвах.
Результаты исследований показали, что величина стока, его продолжительность и динамика определяются как общей интенсивностью прогревания воздушных масс, так и суточным ходом температурного режима воздуха. В начале снеготаяния максимального значения поверхностный сток достигает в 16-17 часов, после чего начинается постепенное снижение, продолжающееся до полного прекращения стока в морозные ночи. Утром с повышением температуры воздуха сток возрастает вновь. По мере схода снежного покрова суточный максимум стока увеличивается до 4,8-6,7 л/(с га), передвигаясь ближе к середине дня, к моменту наступления максимальных температур и инсоляции и в конце снеготаяния наблюдается в 11-13 часов. Это связано с замедленным теплообменом верхних и нижних слоев снега в начальный период снеготаяния. В результате чего снег задерживает талые воды и под ним таяние происходит медленно.