Введение к работе
Актуальность проблемы. В соответствие с концепцией перехода Российской Федерации к устойчивому развитию и в целях реализации Федерального закона «О развитии сельского хозяйства» в нашей стране последовательно осуществляется выполнение государственной программы развития сельского хозяйства, федеральных целевых программ по устойчивому развитию сельских территорий, сохранению и восстановлению плодородия почв агроландшафтов, повышению продовольственной безопасности страны, сбалансированному решению социально-экономических задач и проблем сохранения благоприятной окружающей среды и природно-ресурсного потенциала в интересах настоящего и будущих поколений.
Мероприятия по поддержанию почвенного плодородия реализуются в рамках федеральной целевой программы «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 годы» с дальнейшим продолжением программных мероприятий до 2012 года включительно. Сельское хозяйство относится к отраслям, зависящим в значительной степени от климатических условий, что оказывают сильное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур и на объемы их производства. Поэтому программой предусматривается выделение государственных инвестиций на строительство, реконструкцию и восстановление мелиоративных систем.
Решение проблем, связанных с устойчивым развитием и оптимизацией сельскохозяйственного производства может быть достигнуто только на основе геосистемного, ландшафтного подхода к вопросам обоснования систем земледелия и мелиорации агроландшафтов.
Теоретическое обоснование необходимости и интенсивности мелиорации земель в настоящее время базируется, преимущественно, на изучении водного и связанных с ним режимов почв на основе балансовых, нульмерных или одномерных математических моделей массопереноса, в пределах локальных участков, без достаточной изученности пространственных закономерностей формирования этих режимов в элементарных ландшафтах (фациях) и их сопряженных рядах – ландшафтно-геохимических катенах.
В соответствии с современными требованиями, мелиоративные мероприятия должны рассчитываться и проектироваться с учетом ландшафтных границ и ландшафтных особенностей конкретной территории; мелиоративные режимы должны обосновываться с учетом особенностей функционирования природных и антропогенных ландшафтов; необходим наиболее полный учет свойств и состояний элементов и компонентов агроландшафтов.
Использование геосистемного, ландшафтного подхода при обосновании необходимости и интенсивности мелиоративных мероприятий на территории агроландшафтов позволяет рассматривать все природные компоненты в их неразрывности и взаимосвязи и является актуальной проблемой и актуальным направлением исследований.
Вопросы устойчивого сельскохозяйственного производства, оптимизации природных ландшафтов и агроландшафтов особенно актуальны для центра европейской части территории России, где сконцентрированы основной промышленно-экономический потенциал страны, ее научные, культурные и образовательные структуры.
Цель исследований. Цель работы заключается в разработке методологии научного обоснования, на основе ландшафтного, катенарного подхода необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошение, осушение) агроландшафтов, обеспечивающих высокую продуктивность сельскохозяйственных культур, с учетом влияния на природную среду, и применении ее в условиях Московской области; в создании имитационной системы моделирования в виде комплекса компьютерных программ, позволяющей моделировать процесс передвижения влаги в элементарных ландшафтах (фациях) ландшафтных катен и рассчитывать значения составляющих водного баланса элементарных ландшафтов.
Задачи исследований:
1. Анализ природных условий рассматриваемого региона с использованием ландшафтно-географического подхода, определение численных значений климатического дефицита увлажнения за теплый период года и вероятности их превышения (обеспеченности) по данным метеостанций региона за представительный ряд лет.
2. Разработка методики построения расчетных схем ландшафтных катен для моделирования водного режима мелиорируемых агроландшафтов.
3. Разработка двумерной математической модели передвижения влаги в почвах и грунтах ландшафтных катен, позволяющей рассчитывать значения составляющих водного баланса в сопряженных элементарных ландшафтах.
4. Проверка двумерной математической модели передвижения влаги в почвах и грунтах сопряженных элементарных ландшафтов результатами экспериментальных исследований.
5. Разработка методики расчета значений составляющих водного баланса в сопряженных элементарных ландшафтах (супераквальном, трансаккумулятивном, трансэлювиальном, элювиальном) ландшафтных катен.
6. Разработка методики расчета водообмена (промываемости) почвенного слоя и нижележащих горизонтов ландшафтных катен.
7. Разработка методики обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошения, осушения) агроландшафтов, обеспечивающих высокую продуктивность сельскохозяйственных культур.
8. Проведение численных экспериментов с использованием разработанной математической модели для определения влияния мелиоративных мероприятий (орошения, осушения) на составляющие водного баланса элементарных ландшафтов расчетных ландшафтных катен.
Методология и методика исследований. Общей методологией исследований является материалистическая теория научного познания, которая основой познания и критерием истины признает общественно-историческую практику, обобщает методы и приемы науки (эксперимент, моделирование, анализ и синтез).
Методологической основой исследований является системный подход, который является направлением общей методологии научного познания, и в основе которого лежит рассмотрение изучаемых объектов как систем.
В исследованиях использовались специальные методы научного познания: ландшафтный подход, современные методы физической географии, математическое моделирование процесса передвижения влаги в почвах, численный эксперимент, теоретическое обобщение и анализ. Использовались также современные геоинформационные технологии.
Научная новизна работы заключается в применении ландшафтного, катенарного подхода к решению проблемы обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций агроландшафтов, разработке методики расчета передвижения влаги в почвах и грунтах сопряженных элементарных ландшафтов (супераквальном, трансаккумулятивном, трансэлювиальном, элювиальном) ландшафтных катен на основе двумерной математической модели нестационарного влагопереноса в почвах.
Предложена новая методология изучения мелиоративных воздействий на агроландшафты, заключающаяся в комплексном рассмотрении взаимосвязанных потоками вещества, а также единством происхождения сопряженных элементарных ландшафтов, позволяющая изучить взаимное их функционирование. Это повышает обоснованность проектных решений, в том числе и их экологическую допустимость, дает методическую основу для постановки исследований мелиорируемых агроландшафтов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований получены новые научно-методические и практические результаты, выносимые на защиту:
1. Методология обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошения, осушения) агроландшафтов на основе ландшафтного, катенарного подхода.
2. Геоморфологическая схематизация ландшафтных катен в условиях Московской области.
3. Новая методика расчета водного режима сопряженных элементарных ландшафтов (супераквального, трансаккумулятивного, трансэлювиального, элювиального) ландшафтных катен на основе двумерной математической модели нестационарного влагопереноса в почвах и подстилающих грунтах.
4. Новая методика обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошения, осушения) агроландшафтов с учетом взаимодействия сопряженных элементарных ландшафтов ландшафтных катен.
5. Новая методика расчета составляющих водного баланса сопряженных элементарных ландшафтов ландшафтных катен.
6. Новая методика расчета водообмена (промываемости) почвенного слоя и ниже лежащих горизонтов.
Практическая ценность и значимость работы. Ценность для практики заключается в:
1. Создании математического инструментария в виде комплекса компьютерных программ, позволяющего моделировать процесс передвижения влаги в элементарных ландшафтах (супераквальном, трансаккумулятивном, трансэлювиальном, элювиальном) ландшафтных катен и рассчитывать водный режим и составляющие водного баланса (эффективные атмосферные осадки, фактическая эвапотранспирация, отток влаги из элементарного ландшафта, приток влаги в элементарный ландшафт, отток воды в водный объект, сток в дренаж, оросительная норма, изменение влагозапасов), в условиях естественного климатического увлажнения и с учетом мелиоративных мероприятий (орошения, осушения).
2. Разработке методики расчета водообмена между почвенным слоем и нижележащими горизонтами в элементарных ландшафтах, что позволяет определять промываемость почвенного слоя, которая является одним из важных показателей устойчивости агроландшафтов.
3. Определении расчетных значений дефицита водного баланса и вероятности их превышения за теплый период по данным метеостанций московского региона.
4. Разработке новой методики обоснования необходимости и интенсивности водных мелиораций (орошения, осушения) с учетом взаимодействия сопряженных элементарных ландшафтов ландшафтных катен.
5. Результатах численных экспериментов по определению составляющих водного баланса и промываемости почвенного слоя сопряженных элементарных ландшафтов расчетных ландшафтных катен Московской области.
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов и основных выводов подтверждается большим объемом экспериментального и теоретического материала, обобщенного и проанализированного автором в работе; апробированными исходными положениями и математическими методами, принятыми в теоретических исследованиях, а также хорошей сходимостью результатов, полученных численным путем, с экспериментальными данными.
Реализация работы. Разработанные подходы и методики предназначены для использования их при проектировании и эксплуатации гидромелиоративных систем, а также для применения в научно-исследовательской и педагогической деятельности.
Результаты исследований вошли в пособие к СНиП 2.06.03-85 «Проектирование осушительных систем на слабопроницаемых грунтах» (Союзводпроект, М., 1990). Материалы исследований вошли в учебники для ВУЗов: «Ландшафтоведение» (М.: КолосС, 2005), «Природообустройство» (М.: КолосС, 2008), допущенные Министерством сельского хозяйства РФ в качестве учебников для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Природообустройство» и «Водные ресурсы и водопользование». За написание учебника для ВУЗов «Ландшафтоведение» (КолосС, М., 2005) диссертанту в составе авторского коллектива был присужден диплом I степени на Всероссийском конкурсе «Аграрная учебная книга – 2005».
Результаты исследований были учтены при составлении примерных учебных программ дисциплин «Мелиорация земель», «Природно-техногенные комплексы», утвержденных и рекомендованных Министерством образования и науки Российской Федерации для подготовки дипломированных специалистов по направлению «Природообустройство».
Результаты работы были использованы в учебном процессе ФГОУ ВПО МГУП на этапе дипломного проектирования при подготовке дипломированных специалистов по направлению «Природообустройство», специальности «Мелиорация, рекультивация и охрана земель».
Разработанная методика расчета водного режима почв и подстилающих грунтов с учетом рельефа земной поверхности была использована научно-производственной корпорацией «Проектводстрой» при подготовке проектной документации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и одобрены на научно-технической конференции СевНИИГиМ (г. Ленинград, 1987 г.), научно-технических конференциях МГУП (г. Москва, 1991, 1997 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России» (г. Москва, 2004 г.), Межрегиональной конференции Международного Конгресса по ирригации и дренажу (МКИД) «Производство продовольствия и вода: социально-экономические проблемы ирригации и дренажа» (г. Москва, 2004 г.), Международной научно-практической конференции «Природообустройство и рациональное природопользование – необходимые условия социально-экономического развития России» (г. Москва, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» (г. Москва, 2006 г.), XI Международной ландшафтной конференции «Ландшафтоведение: теория, методы, региональные исследования, практика» (г. Москва, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов» (г. Москва, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Нанобиотехнологии в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России» (г. Москва, 2009 г.), Международной ежегодной научно-практической конференции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (г. Москва, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы сельского и водного хозяйства» (г. Москва, 2010 г.), а также на заседании Научного Совета РАСХН по агроландшафтам и адаптивно-ландшафтному земледелию (г. Москва, 2010 г.).
Разработки по теме диссертации демонстрировались на выставках «Наука на службе мелиорации» (г. Москва, 1987, 1988 гг.), удостоены серебряной медали ВДНХ СССР (1987 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ, в том числе 11 работ в изданиях согласно Перечню ВАК РФ.
Личный вклад автора в решение проблемы. В диссертации представлены результаты самостоятельных многолетних исследований автора в области обоснования водных мелиораций агроландшафтов, выполненных автором в Московском государственном университете природообустройства (ФГОУ ВПО МГУП).
Постановка проблемы и задач исследований, их решение теоретическими и экспериментальными методами, теоретические и экспериментальные исследования, анализ и обобщение полученных результатов и формулировка окончательных выводов выполнены лично автором.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Общий объем текста диссертации составляет 330 страниц.
Автор выражает свою искреннюю признательность и благодарность всем сотрудникам кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП, а также ученым и специалистам, оказавшим ему поддержку и помощь на этапах выполнения и апробации диссертационной работы. Особую благодарность за научные консультации автор выражает заведующему кафедрой мелиорации и рекультивации земель МГУП, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Голованову А.И.
