Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние изученности проблемы антропогенного мелиоративного воздействия на агроландшафты
Изменения в осушаемых агроландшафтах 10
Влияние осушительных систем на прилегающие территории 24
Влияние осушительных систем на водоприемники 46
Устойчивость осушаемых агроландшафтов 50
Глава 2 Полевые стационары и методика исследований 57
Полевые стационары 57
Методика исследований 73
Метеорологические условия периода исследований 86
Глава 3 Антропогенное мелиоративное влияние на агроландшафты 89
Экологические особенности функционирования мелиорируемых агро ландшафтов
Взаимодействие водных режимов осушаемых болот и прилегающих агроландшафтов 92
Понижение уровня грунтовых вод на осушительной системе 94
Изменение испарения и микроклимата на осушаемом болоте 98
Динамика свойств низинной торфяной почвы при осушении и длительном сельскохозяйственном использовании 104
Глава 4 Влияние осушения на водный баланс зоны аэрации и продуктивность прилегающих земель
Понижение уровня грунтовых вод в зоне внешнего влияния осушительных систем
Зоны внешнего влияния ГМС на влажность почвы 123
Водообмен грунтовых вод с зоной аэрации 131
Динамика влажности почв 145
Суммарное испарение 151
Продуктивность агроландшафтов 155
Глава 5 Основные направления экологического совершенствования гидромелиоративных систем
Экологические и технологические требования к созданию систем мелиорации переувлажненных аллювиальных и торфяных почв
Основные направления разработки природоохранных мелиоративных мероприятий и технологий 177
Концепция природоохранных мелиоративных режимов 183
Замкнутые технологии - основное направление экологизации мелиоративных режимов 198
Глава 6 Природоохранные мелиоративные режимы и технологии 203
Природоохранные мелиоративные мероприятия 203
Природоохранный режим увлажнения 209
Водооборотные гидромелиоративные технологии: научное обоснование 225
Водооборотные гидромелиоративные технологии опытно-производственная апробация 232
Природоохранные технологии мелиорации речных пойм 240
Польдерное осушение пойменных земель 248
Особенности контроля технологического процесса 256
Оптимизация круговорота питательных веществ на основе программированного выращивания урожая 260
Глава 7 Водооборотные мелиоративные системы 265
Классификация и условия применения 265
Конструктивные схемы водооборотных ГМС 270
Сооружения и устройства на водооборотных системах 281
Оценка эффективности природоохранных мероприятий и технологий 290
Основные выводы 303
Литература 308
Приложения 329
- Влияние осушительных систем на прилегающие территории
- Взаимодействие водных режимов осушаемых болот и прилегающих агроландшафтов
- Зоны внешнего влияния ГМС на влажность почвы
- Основные направления разработки природоохранных мелиоративных мероприятий и технологий
Введение к работе
Широкое развитие мелиорации в 70-90-х г.г. прошлого века, не лишенное ряда издержек, позволило принципиально улучшить проблемы продовольственного обеспечения населения и, прежде всего крупных промышленных городов в Нечерноземной зоне России. Вместе с тем были вызваны к жизни эколо-го-мелиоративные проблемы, что, в общем, то является типичной ситуацией во взаимоотношениях человека с природой.
Мелиорации, как и любой вид хозяйственной деятельности, вызывает антропогенное воздействие на окружающую природную среду. Оценка этого воздействия важна как самостоятельная научная эколого-мелиоративная задача, а также как отправной пункт для выработки научно обоснованных направлений совершенствования гидромелиоративных систем и для разработки специальных природоохранных мероприятий.
Мелиоративные мероприятия являются одним из основных и наиболее эффективных инструментов управления экологическим состоянием переувлажненных агроландшафтов. Они позволяют устранить избыточную почвенную влагу, снизить кислотность почвенной среды, повысить содержание гумуса, улучшить структуру почвы, благодаря чему обеспечивается не только повышение продуктивности почв, но и появляется возможность управлять миграционными процессами загрязняющих веществ, что в итоге повышает экологическую устойчивость мелиорируемого агроландшафта.
Все это позволяет по-новому взглянуть на комплексную мелиорацию земель, требует определенного научного переосмысления ее роли в средорегу-лирующем комплексе мероприятий, а также разработки новых конструкций систем и мелиоративных технологий, обеспечивающих не только экономическую, но и экологическую эффективность.
Под этим углом зрения автором предпринята попытка оценить влияние современных мелиоративных систем гумидной зоны на окружающую природную среду, определить направления их экологического совершенствования,
разработать и апробировать технические и технологические решения для мелиорации переувлажненных сельскохозяйственных земель.
В основу диссертации положены многолетние экспериментальные исследования на опытных участках, стационарах, мелиоративных объектах и в последние годы на экополигоне «Мещера», в проведении которых принимали участие многие сотрудники Мещерского филиала ВНИИГиМ им. А.Н. Кости-
кова. Автор признателен [Мирошниченко В.Г.| , [Савельевой Н.Г.[, Халамцевой И.А., Ершовой Г.И., Ненюку СВ. за практическую помощь при создании опытных участков и в проведении наблюдений, а также за плодотворное обсуждение многих из вопросов, отраженных в диссертации, д.б.н Куркину К.А., д.т.н. Доб-
рачеву Ю.П., к.т.н. [Стельмаху Е.А.|, к.т.н. Сидорову И.В., к.т.н. Минаеву В.А., к.с.х.н. Зоткину В.П., к.с.х.н.Томину Ю.А. Автор выражают благодарность за консультации и постоянное плодотворное сотрудничество академику РАСХН Б.С. Маслову.
Актуальность. Созданные в период широкого развития мелиорации земель в гумидной зоне страны (1965-1990 годы) гидромелиоративные системы позволили ввести в сельскохозяйственный оборот более 17 млн. га новых земель, что способствовало успешному решению продовольственной программы, а также улучшению социальных условий жизни людей. Наряду с безусловно позитивными результатами проявились отрицательные последствия мелиорации, связанные с переосушкой и сработкой торфяников, загрязнением водоприемников, негативным воздействием на прилегающие земли, мелиоративной эрозией почв и др., которые усугубляются экзогенным химическим загрязнением почв различными токсикантами. Для успешного ведения сельскохозяйственного производства в сложившихся условиях требуется разработка новых подходов и технологий, обеспечивающих оптимальное соотношение между экономическим результатом и экологической безопасностью. Желаемого результата в большинстве случаев можно достичь путем применения комплексных мелиорации с определенными экологическими ограничениями. Для этого требуется научно обоснованный учет воздействия мелиорации на окружающую
природную среду, а также разработка новых конструктивных и технических решений, природоохранных мелиоративных технологий.
Решение этих вопросов сдерживается недостаточной изученностью действия различных видов мелиоративной нагрузки на компоненты окружающей природной среды, условий формирования водного режима почв в зонах влияния осушительных систем, несовершенством методов экологического обоснования принимаемых решений, наконец, недостатком экологически безопасных мелиоративных технологий.
Цель и задачи исследований. Целью работы является научное обоснование и разработка природоохранных режимов и технологий мелиорации переувлажненных сельскохозяйственных земель.
Задачи исследований:
Изучить антропогенное воздействие осушительных систем на окружающую природную среду;
Разработать способы оценки и прогноза изменения параметров осушаемых агроландшафтов и прилегающих природных объектов;
Исследовать основные направления экологического совершенствования гидромелиоративных систем в условиях гумидной зоны РФ;
Разработать природоохранные мелиоративные режимы и технологии;
Разработать конструктивные решения для повышения экологической надежности гидромелиоративных систем;
6. Оценить комплексную эколого-экономическую эффективность при
родоохранных мелиоративных технологий.
Методология и методика исследований
Исследования базировались на анализе данных информационно-патентного поиска с использованием системного подхода и включали теоретические разработки, лизиметрические и полевые опыты, В качестве теоретической и методической основы для оценки изменения круговорота использован
закон сохранения вещества и энергии, конкретное выражение его в форме уравнений водного и теплового баланса.
Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении данных по влиянию мелиорации болотных и пойменных агроландшафтов с грунтовым, намывным и смешанным типами водного питания на окружающую среду и мерам по снижению негативных последствий этого влияния; проведении и обобщении теоретических исследований по обоснованию места и роли комплексных мелиорации в средорегулирующем комплексе; разработке программ и проведении полевых лизиметрических и деляночных опытов на мелиоративно-болотных стационарах «Вожа», «Макеевский мыс», «Пра-6», «Пойма», экополигоне «Мещера», а также натурных экспериментов при испытании конструкций водо-оборотных мелиоративных систем различных типов. Автор лично участвовал в разработке рекомендаций производству и осуществлял редактировании при их издании.
На зашиту выносятся следующие основные положения:
Природоохранные мероприятия предотвращающего, ограничивающего и компенсирующего типов для осушаемых агроландшафтов и прилегающих природных объектов;
Природоохранный режим увлажнения осушаемых аллювиальных почв;
Водооборотные мелиоративные технологии для условий субгумидной зоны;
Конструкции водооборотных осушительно-увлажнительных систем и их классификация;
Способы оценки воздействия осушительных систем на состояние природной среды и эффективности мероприятий по предотвращению негативный последствий.
Научная новизна работы:
С учетом современной мелиоративной парадигмы предложена концепция
природоохранного мелиоративного режима, включающая водооборотный ме-
лиоративный цикл как одно из направлений экологизации ГМС центра Нечерноземной зоны России;
Разработана классификация, усовершенствованы и предложены новые конструкции водооборотных ГМС для условий субгумидной зоны, защищенные патентом РФ № 2233075, 2004;
Выполнено научное обоснование водооборотных гидромелиоративных технологий с замкнутым и незамкнутым циклом, разработан новый способ расчета объема аккумулирования дренажных вод;
Установлены основные закономерности формирования зоны внешнего влияния осушительных систем, разработана методика для количественной оценки этого влияния, предложен новый способ осушения с ограниченной зоной негативного воздействия на водный режим прилегающих земель (Патент РФ № 2233074, 2004);
На основе выявленных закономерностей и видов антропогенной нагрузки предложены основные направления экологического совершенствования ГМС гумидной зоны, предотвращающие, ограничивающие и компенсирующие природоохранные мероприятия.
Практическая ценность результатов исследований состоит в том, что они позволяют на основе прогноза влияния осушительных систем на природные объекты, обосновывать необходимость и состав природоохранных комплексов в проектах мелиорации, применять водооборотные системы различных типов при создании новых и модернизации существующих ГМС, применять водооборотные технологии при проектировании эксплуатации, производить оценку экологического уровня ГМС. В целом разработки направлены на повышение технического и экологического уровня гидромелиоративных систем, расчетные зависимости используются в практике мелиоративных водобалансо-вых расчетов.
Апробация работы Основные материалы диссертации докладывались на заседаниях Ученого Совета ВНИИГиМ, научно-производственных конференциях Рязанской ГСХА (1980, 1982, 1983, 1999 , 2001-2005 г.г.), на Всесоюзных
совещаниях (Калинин, 1980 г., Новая Каховка, 1984 г.,), Всесоюзных и Всероссийских конференциях (Пермь, 1983 г., Ровно, 1986 г., Таллин, 1988 г., Смоленск, 1991 г., Волгоград, 1998 г.), на Международных конференциях в Словении (Любляна, 1996 г.) в Германии (Лейпциг, 1998 г.; Берлин, 1999 г.; Галле, 2002г.; в Беларуси (Горки, 1999 г.; Минск, 2005г.); в Молдове (Кишинев, 2003 г.); в России (Ярославль, 1999 г.; Ставрополь, 2001, 2002 г.г.; Томск, 2003 г.; Владимир, 2004, г.; Москва, 2004,2005 г.г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 75 печатных работах, в том числе в двух монографиях, двух патентах РФ. Общее количество опубликованных работ - 138.
Реализация работы. Результаты исследований автора использованы в «Руководстве по разработке раздела «Охрана природы» в составе проекта мелиорации земель», вошли в «Руководство по длительному сельскохозяйственному использованию осушаемых торфяных почв Нечерноземной зоны Российской Федерации», в Методические указания «Проведение научных исследований на мелиорированных землях избыточно увлажненной части СССР»; при личном участии и под редакцией автора опубликованы временные рекомендации «Оценка влияния осушения на водный режим почв и типовые схемы природоохранных мероприятий для проектов мелиорации земель Мещерской низменности», «Рекомендации по регулированию водного режима почв на осушительных и осушительно-увлажнительных системах», «Методические указания по применению дренажных фильтрующих засыпок на тяжелых грунтах». Разработки автора вошли в «Мелиоративную энциклопедию», внедрены в проектах мелиорации земель и при эксплуатации мелиоративных систем, а также используются в учебном процессе.
Влияние осушительных систем на прилегающие территории
Прогноз влияния осушения на уровень грунтовых вод. Все методы прогноза изменения режима грунтовых вод и его элементов на прилегающих к мелиоративным системам землях можно разделить на три группы: гидродинамические, балансовые и эмпирические (Киселев, 1977, 1986; Кривецкая, 1975 и др.).
Гидродинамические методы основываются на теории движения грунтовых вод и изложены в литературе (Ведерников, 1939; Аверьянов, 1956; Абрамов, 1960; Бочевер, 1965; Васильев и др., 1970; Минкин, 1972; Полубаринова-Клчина, 1977 и др.). Для исследуемого случая поток грунтовых вод рассматривается как полуограниченный. Предложенные расчетные зависимости различаются граничными условиями (характер изменения напора на границе потока грунтовых вод), а также учетом степени вскрытия водоносного пласта на границе потока (совершенный или несовершенный дренаж), режима движения грунтовых вод (установившийся или неустановившийся) и условий питания грунтовых вод.
Рассмотренные зависимости получены для случая совершенных по вскрытию водоносного пласта каналов (дрен). При расчете влияния несовершенных водотоков на уровень грунтовых вод смежных территорий С.Ф. Аверьянов (1956, 1978) предлагает уточнять безразмерное время путем умножение его на коэффициент висячести а -1 /(l + д).
В результате таких преобразований формула для расчета влияния осушительной системы с несовершенной регулирующей сетью на уровень грунтовых вод прилегающих территорий принимает относительно простой вид (Васильев и др., 1970):
С учетолі инфильтрационного питания грунтовых вод, постоянного во времени, А.В. Лебедевым получено решение, приведенное в литературе (Абрамов, 1960). При близком расположении ГМС друг от друга имеет место взаимодействие их воронок депрессий и возрастание размеров понижения уровня грунтовых вод в зоне совместного влияния.
В методических рекомендациях (Янковский, 1977) для расчета понижения уровня грунтовых вод в зоне взаимодействия систем на основе решения (1.14) предлагаются эмпирические формулы. Как показывают исследования (Васильев и др., 1970; Минкин, 1973), при взаимодействии ГМС наблюдается два периода: в первый происходит простое наложение течений; во втором имеет место взаимозависимое влияние. Расчеты для первого периода можно выполнять методом суперпозиции, а для второго более корректным будет применение методов источников и диполей. Для систем с равнозначным воздействием на прилегающие территории может быть использовано решение, полученное методом комфорных отображений для равномерно размещенных водозаборов Глава I подземных вод. Для систем неравнозначных по влиянию предлагается (Ивиц-кий, Шведовский, 1977) вводить коэффициент неравномерности.
Специальные функции, приведенные в рассмотренных зависимостях даются в виде таблиц, графиков или номограмм в специальной и справочной литературе, например (Пугачев, 1979; Корн Г. и Корн Т., 1977 и др.).
Наибольшее распространение в практике расчетов влияния осушительных систем на уровень грунтовых вод прилегающих территорий получила формула Аверьянова (1.14), которая использована в работах (Янковский, 1972,1977; Богомолов и др., 1980), а также формула Форхгеймера (1.22), использованная в работах (Кривецкая, 1973,1975; Худошин, 1978). Другие зависимости, в которых более полно учитывается характер движения грунтовых вод, вскрытие водоносного пласта и другие условия, в практике прогнозирования влияния осушительных систем на водный режим прилегающих земель применяются намного реже, что отчасти объясняется и отсутствием соответствующих методических разработок.
Использование наиболее популярных в научной среде решений (1.14) и (1.22) вносит, как было отмечено ранее, некоторые неточности в результаты расчетов. Особенно это относится к формуле (1.22), что отмечалось С.Ф. Аверьяновым в (1956). Оценка возможности их применения, предпринятая Ф.Б. Бовтрамовичем (1981), показала, что хорошие результаты рассматриваемые формулы дают при определении понижения уровня грунтовых вод на небольшом расстоянии от осушительной системы, не превышающем 300 м.
Таким образом, обзор литературных источников, показывает, что для расчета понижения уровня грунтовых вод вблизи мелиоративной системы предварительно можно рекомендовать формулу С.Ф. Аверьянова (1.14). Для более точных расчетов при неустановившемся характере движения грунтовых вод лучше подходит зависимость С.Ф. Аверьянова (1.20), а в случае постепенного понижения уровня грунтовых вод на мелиоративной системе, что имеет место в реальных условиях, можно рекомендовать формулу С.Ф. Аверьянова (1.24). Состояние изученности проблемы...
Эмпирические методы прогноза не используют или частично используют балансовые связи. Они устанавливают связи на основе опытных данных между уровнем грунтовых вод и другими факторами, используют аналогии между природными явлениями, опираются на качественные и количественные показатели, полученные при гидрогеологических исследованиях в зонах действия осушительных систем и на не осушаемых водосборах. К эмпирическим относятся также зависимости, полученные с применением теории вероятностей и математической статистики.
Вариационно-статистический, спектральный и гармонический анализы с использованием уравнений гидродинамики и водного баланса были использованы, например, для прогноза влияния осушения на водный режим юго-западной части Белорусского полесья (Шведовский, 1974); метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) был применен Минаевым И.В. и Жибур-товичем К.К. (1981) для прогноза уровней грунтовых вод вблизи осушительных систем с целью установления точки перегиба на кривой депрессии.
Эмпирические зависимости, основанные на стохастической связи уровня с другими факторами, остаются актуальными для прогноза режима грунтовых вод, формирующегося под влиянием осушения в сложных гидрогеологических условиях, а также для конкретных изученных объектов мелиорации.
Взаимодействие водных режимов осушаемых болот и прилегающих агроландшафтов
Понижение уровня болотных вод под действием осушительной системы приводит к увеличению уклона грунтового потока и водопритока к ГМС, что сопровождается понижением уровня грунтовых вод на приле Антропогенное мелиоративное влияние па агроландшафты гающих землях. С понижением уровня изменяется водообмен грунтовых вод с зоной аэрации (уменьшается расход грунтовых вод на испарение и питание их инфильтрационными водами), уменьшается влажность почв и влагообеспеченность растений.
Уменьшение влажности в зоне аэрации происходит за счет опускания капиллярной каймы вслед за уровнем грунтовых вод и за счет уменьшения подпитывания почвы грунтовыми водами. Рассматривая систему «грунтовые воды-почва-растение-атмосфера» как саморегулирующуюся, следует заметить, что уменьшение влажности будет происходить до некоторого уровня (определяемого, в том числе, метеорологическими параметрами), при котором снижение притока влаги от грунтовых вод (приходная часть баланса) будет скомпенсировано уменьшением суммарного испарения (расходная часть баланса). В дальнейшем влажность почвы под действием осушения не снижается.
Другое направление влияния, менее существенное, чем через грунтовые воды, на водный режим прилегающих земель оказывает изменение микроклимата, которое происходит как под действием изменения микроклимата осушаемых болот при взаимодействии воздушных масс, так и за счет взаимообусловленного изменения суммарного испарения и микроклимата на прилегающих к ГМС территориях.
На схеме главные прямые и обратные связи показаны сплошными линиями со стрелками (более сильные двойными линиями), а опосредованные связи элементов водного режима и микроклимата - пунктирными.
Анализ этих связей позволяет заключить, что первопричинными факторами, под действием которых происходит изменение водного режима почв в зоне влияния осушительной системы, являются размер понижения уровня грунтовых вод и уменьшение вертикального водообмена на нижней границе зоны аэрации. Следовательно, понижение уровня грунтовых вод и изменение вертикального водообмена должны быть главными объектами исследования в зоне влияния ГМС.
Для количественной оценки этих изменений, а также выявления роли двух основных путей воздействия осушения на водный режим почв прилегающих территорий - через грунтовые воды it через атмосферу - необходимо, как следует из модели, во-первых, определить то понижение уровня грунтовых вод на ГМС, которое связано именно с действием осушительной сети, а во-вторых, изменение микроклимата (и суммарного испарения как одного из главных его индикаторов) на осушаемой территории. Понижение УГВ прилегающих земель увеличивает емкость аккумулирования влаги в почве весной, и способствует уменьшению поверхностного стока.
Для определения понижения на объекте «Вожа» использованы максимальные (наивысшие), минимальные (наинизшие) и средние уровни грунтовых вод в весенний (IV), вегетационный (V-IX) и летне-осенний (V1-IX) периоды, осредненные по 8 скважинам, расположенным на открытой осушительной сети, по 3 скважинам - на закрытом дренаже и 2 скважинам - на неосушенном болоте (приложение 4). Понижение определялось как разность соответствующих фактических уровней на осушаемом болоте и неосушенной его части.
Наибольшее понижение уровней имеет место в летне-осенний период, составляющее 0,40...0,52 м под действием открытых каналов и 0,43...0,58 м под действием закрытого дренажа. Влияние осушительной системы на максимальные и средние уровни весеннего периода незначительно, а понижение минимального больше в засушливый период, чем во влажный и равно 0,45...0,50 м и 0,40...0,65 м соответственно для открытых каналов и закрытого дренажа. Закрытый дренаж по сравнению с открытыми каналами обеспечивает более ровный хронологический ход уровня грунтовых вод, о чем можно заключить, сравнивая амплитуды колебания уровней, которые составили в среднем за три года 0,63 м на неосушенном болоте, 1,50 м при осушении открытыми каналами и 1,06 м при осушении закрытым дренажем.
Во влажные годы осушительная сеть обеспечивает несколько большее относительное понижение средних за вегетационный и летне-осенний периоды уровней, чем в засушливые (табл. 3.1). Это закономерно, поскольку антропогенное понижение происходит на фоне испарения грунтовых вод (естественное понижение), которое меньше чем на неосушенном болоте по причине более глубокого залегания грунтовых вод. В засушливые годы подпитвание почвы от грунтовых вод значительно больше, чем во влажные. На основе полученных экспериментальных данных можно заключить, что в качестве расчетного периода для оценки влияния осушения на водный режим прилегающих территорий необходимо принимать летне-осенний гидрологический период (или более короткие периоды внутри него), характеризующийся наибольшим понижением уровня грунтовых вод на мелиоративной системе. Второй важный вывод состоит в том, что величина фактического понижения грунтовых вод под действием осушения значительно меньше абсолютной глубины их залегания на осушительной системе, в данном случае на 0,2...0,4 м. Поэтому в формулах для расчета понижения уровня грунтовых вод в зоне действия осушительных систем в качестве ЛНо следует принимать именно это фактическое понижение.
Зоны внешнего влияния ГМС на влажность почвы
Влияние понижения уровня грунтовых вод на влажность почвогрун-тов зоны аэрации и, следовательно, на влагообеслеченность растений особенно проявляется при незначительном превышении поверхности прилегающих земель над поверхностью болота. Это влияние усиливается или ослабевает под воздействием таких факторов, как глубина залегания грунтовых вод до осушения, метеорологические условия, тип и свойства грунтов, гидрогеология водосбора, режим осушения.
Многолетние исследования, выполненные нами в условиях Мещерской низменности, показали, что зона влияния осушительных систем на прилегающие земли ограничивается размерами зоны понижения уровня грунтовых вод (L), которые изменяются от Ї до 2,5 км. Понижение уровня грунтовых вод (УГВ) изменяет режим водных объектов и влажность почв в зоне влияния. Этот вопрос, а также экологическая оценка влияния остаются наименее изученными.
Размеры влияния осушительных систем на влажность почв прилегающих агроландшафтов зависят от исходной глубины залегания грунтовых вод до осушения (Я), величины их понижения, водно-физических свойств почвогрунтов и рельефа поверхности. Эти размеры необходимо определять с учетом взаимосвязи между почвенной влагой и грунтовыми водами на основе нормированных (Н„ - норма осушения) и критических (Нк -критическая глубина грунтовых вод) параметров.
В зоне влияния осушительной системы, согласно нашей методике, следует выделять подзону уменьшения влажности почв (до осушения здесь Н ЯД внутри которой выделяется пояс улучшения водного режима почв, где до осушения Н НН и пояс ухудшения водного режима почв, в котором до осушения Нн Н Нк (рис. 4.4). Такой подход основывается на следующих соображениях.
В первой подзоне (//) Н Нк, существенное значение в формировании водного баланса зоны аэрации, почвообразовательном процессе, а также в соотношении между большим геологическим и малым биотическим круговоротами воды и химических веществ играет влагообмен между грунтовыми водами и почвой, его направленность и интенсивность. В пределах этой подзоны выделяется приболотный пояс (/о) с четким положительным влиянием осушения, поскольку здесь до осушения уровень грунтовых вод залегает близко у поверхности земли (Н Н„) и сформирован полу болотный агроландшафт. На остальной вышерасположенной части подзоны шириной Qr lo) уровень грунтовых вод до осушения залегает на близкой к оптимальной глубине (Н„ Н Нк) и понижение его под действием осушения изменяет водный режим почв в сторону ухудшения. Негативные последствия такого ухудшения будут проявляться в условиях недостаточного естественного увлажнения атмосферными осадками и, разумеется, для естественных, сформировавшихся до осушения фитоценозов.
Во второй подзоле (Іг) влагообмен определяется условием (# Нк), приток в почву от грунтовых вод практически отсутствует, преобладает нисходящее движение гравитационной влаги, и, следовательно, понижение уровня грунтовых вод под действием осушения не оказывает существенного влияния на влажность корнеобитаемого слоя почвы и продуктивность агроландшафга.
Как видно из рисунка 4.4, на полосе шириной (i0i) роль грунтового питания в водном балансе зоны аэрации под действием осушения уменьшается, а на полосе шириной (/; - hi) приток влаги в корнеобитаемый слой почвы в этих условиях полностью прекращается, что создает дополнительный дефицит водного баланса почвы.
Для оценки изменения водного режима земель, прилегающих к осушительной системе, следует использовать уравнения водного баланса, приведенные в первой главе (1.32-1.34). Учитывая, что приток поверхностных и грунтовых вод на водоразделе отсутствует, суммарное изменение влаго-запасов, при отсутствии связи с подземными водами, будет равно.
Под критической глубиной грунтовых вод будем понимать такую минимальную глубину залегания грунтовых вод от поверхности земли, при которой прекращается испарение грунтовых вод, их восходящий поток в зону аэрации, обусловленный капиллярными, диффузными и осмотическими силами при наличии десукции. Отсюда следует, что Нк зависит от климата, типа почв, вида растительности и минерализации грунтовых вод. По данным различных исследований она изменяется в пределах от 1,5 до 4 м (Аверьянов, 1956; Харченко, 1975).
Значение Нк наиболее точно можно определить в лизиметрах с различной глубиной воды: оно равно минимальной глубине грунтовых вод, при которой за длительный промежуток времени Ег =0. Другой способ основан на режимных наблюдениях за уровнем грунтовых вод: для бездожд-ных периодов определяется значение водообмена, например, по А.В. Лебедеву (1976), и строится линия связи Ег = f (Н). Пересечение этой линии с осью абсцисс дает значение Нк. Близкий к описанному графический способ предлагает Вольфцун И.Б. (1972), по которому линия связи строится по зависимости АНЕ/ЕО =f(H). Определенную трудность при этом представляет определение в естественных условиях изменения уровня грунтовых вод (АНЕ), обусловленного их расходом на испарение.
Основные направления разработки природоохранных мелиоративных мероприятий и технологий
Для повышения биологической активности почв следует применять органические и органом инеральные удобрения и компосты, что позволяет снизить подвижность тяжелых металлов благодаря образованию сложных комплексных соединений, обладающих низкой растворимостью.
Для снижения подвижности тяжелых металлов следует применять структурные мелиорации (внесение сапропелей, глинистых гумусирован-ных почвогрунтов на легких минеральных почвах и песка на торфяниках).
Для снижения опасности загрязнения культурных растений тяжелыми металлами следует применять агрономические средства защиты, в частности подбор сельскохозяйственных культур, учитывая, что по степени устойчивости они располагаются в порядке убывания: травы - злаковые зерновые - картофель - сахарная свекла.
Для восстановления и повышения природно-ресурсного потенциала мелиорируемых агроландшафтов необходимо наряду с мелиорацией почв улучшать почвенно-биотический комплекс {редуцентов) путем применения вермикультуры и микробиологических удобрений, включающих фотосин-тезирующие, азотфиксирующие и другие полезные микроорганизмы, а также улучшать фитоценозы (продуцентов) путем применения резистентных культур и сортов, получаемых на основе меристемной культуры.
Основные направления разработки природоохранных мелиоративных мероприятий и технологий Современные требования к сельскохозяйственным мелиорациям предусматривают их комплексность с оптимизацией основных параметров возделывания сельскохозяйственных культур, максимальную адаптацию гидромелиоративных систем к природно-мелиоративным условиям, экономическую и экологическую эффективность. Одним из важнейших элементов комплексных мелиорации в последнее время стали природоохранные мероприятия.
Экологическая эффективность ГМС зависит от многих факторов, среди которых технический и экологический уровень этих систем, а также степень их влияния на окружающую среду, которая зависит от типа систем (осушительные, осушительно-увлажнительные, оросительные), природно-мелиоративных условий (почвы, геология, гидрогеология, гидрология, растительность и др.), интенсивности использования мелиорируемых земель и условий эксплуатации ГМС, наличия внешних источников загрязняющих веществ. Это влияние неодинаково проявляется в период строительства и эксплуатационный период.
При строительстве происходит нарушение почвенного покрова по трассам линейных сооружений и при удалении древесно-кустарниковои растительности, загрязнение почв и вод нефтепродуктами от мелиоратив-но-строительных машин, загрязнение природных водоемов механическими частицами грунта и др. При всей очевидной опасности этих воздействий на окружающую среду, они ограничиваются относительно непродолжительным периодом времени строительства.
Влияние осушительных систем на окружающую среду в эксплуатационный период отличается длительностью действия и проявляется на осушаемых агроландшафтах, прилегающих территориях и водоприемниках. Воздействие ГМС на мелиорируемые агроландшафты можно оценить по уровню их экологической устойчивости или по направленности изменения основных показателей их плодородия (табл. 5.5), прежде всего таких, как гумус, питательные вещества, кислотность, структура и водно-физические свойства почв, их водный режим, а также концентрация загрязняющих веществ, В случае торфяных почв одним из важнейших показателей является осадка и сработка торфа, которая в первые годы после осушения больше, чем в последующие.
