Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема охраны агроландшафтов и водных объектов от деградаций 22
1.1 Анализ проблемы устойчивого развития агроландшафтов и сохранения водных объектов 22
1.2 Анализ современного состояния агроландшафтов 36
1.3 Анализ технологических приемов утилизации отходов переработки сельскохозяйственной продукции на предприятиях агропромышленного комплекса 43
1.4 Требования к подготовке сточных вод для утилизации на земледельческих полях орошения 53
1.5 Анализ эксплуатации земледельческих полей орошения для утилизации очищенных сточных вод 58
1.6 Анализ работ по исследованию мелиоративного состояния почв агроландшафтов 69
1.7 Цель и задачи исследований 84
2 Разработка сельскохозяйственного мелиоративного комплекса 86
2.1 Обоснование сельскохозяйственного мелиоративного комплекса, как системы устойчивого развития агроландшафта 86
2.2 Разработка модели адаптированной земельно – охранной системы 95
2.3 Обоснование ресурсосберегающих адаптированных технологий 98
2.4 Разработка ресурсной модели «агроландшафт–технология» 103
2.5 Разработка структуры ресурсной модели «агроландшафт–технология» 112
2.6 Обоснование индикаторов мелиоративного состояния почвы и разработка интегральной шкалы безопасности рисков 114
2.7 Разработка методики оптимизации интегрального показателя рисков 126
2.8 Разработка методики прогноза изменения водно-солевого режима почвы 131
2.9 Обоснование технологии утилизации жидких отходов на земледельческих полях орошения 135
2.10 Выводы по разделу 2 139
3 Адаптированная земельно-охранная система устойчивого развития агроландшафтов 141
3.1 Разработка адаптированной земельно – охранной системы для защиты от подтопления и переувлажнения агроландшафтов 142
3.2 Совершенствование алгоритма ресурсной модели агроландшафта 145
3.3 Разработка метода управления агроресурсным потенциалом агроландшафта 147
3.4 Выбор ресурсосберегающих адаптированных технологий и комплекта мелиоративных машин для повышения агроресурсного потенциала агроландшафта 154
3.5 Разработка адаптированной земельно–охранной системы для защиты от деградации степных рек и прибрежных ландшафтов 160
3.6 Морфологические исследования степных рек и балок 170
3.7 Исследование водности балок - притоков степных рек 178
3.8 Оценка агроресурсного потенциала прибрежных ландшафтов степных рек по интегральному показателю рисков 182
3.9 Выводы по разделу 3 189
4 Ресурсосберегающая адаптированная технология утилизации сточных вод консервных заводов 192
4.1 Требования к технологиям утилизации сточных вод консервных заводов агропромышленного комплекса 192
4.2 Разработка ресурсосберегающей адаптированной технологии полной и круглогодичной утилизации отходов 193
4.3 Обоснование локального комплекса очистных сооружений 195
4.4 Разработка способа подготовки транспортировки и полной утилизации отходов 199
4.5 Разработка локальных комплексных очистных сооружений для круглогодичной утилизации сточных вод на земледельческих полях орошения 202
4.6 Исследование пригодности производственных сточных вод к утилизации дождеванием на земледельческих полях орошения 207
4.7 Исследование режима орошения дождеванием и оценка влияния очищенных сточных вод на агроресурсный потенциал агроландшафтов 211
4.8 Комплекс мероприятий по охране агроландшафтов при орошении очищенными сточными водами 221
4.9 Мероприятия по улучшению мелиоративного состояния земледельческих полей орошения 227
4.10 Анализ загрязнения почв и оценка агроресурсного потенциала земледельческих полей орошения по интегральному показателю рисков 229
4.11 Выводы по разделу 4 236
5 Разработка ресурсосберегающей адаптированной технологии утилизации отходов производства спирта 238
5.1 Разработка технологической схемы утилизации отходов производства спирта 238
5.2 Разработка технологических процессов утилизации фугата 241
5.3 Ресурсосберегающая адаптированная технология полной утилизации отходов спиртзаводов 244
5.4 Обоснование пригодности фугата для полива сельскохозяйственных культур на земледельческих полях орошения 251
5.5 Прогноз мелиоративного состояния почвы при утилизации дождеванием фугата на земледельческих полях орошения 254
5.6 Рекомендации по снижению отрицательного влияния оросительной воды на агроресурсный потенциал агроландшафта земледельческих полей орошения 259
5.7 Исследование концентрации солей для оценки рисков утилизации оросительной воды на земледельческих полях орошения 260
5.8 Прогноз изменения водно-солевого режима земледельческих полей орошения 262
5.9 Прогноз динамики агроресурсного потенциала земледельческих полей орошения при утилизации фугата 263
5.10 Эффективность технологии утилизации отходов спиртзавода 268
5.11 Выводы по разделу 5 269
6 Эколого-экономическая эффективность сельскохозяйственного мелиоративного комплекса 272
6.1 Эколого-экономическое обоснование инвестиционных проектов адаптированных земельно – охранных систем 273
6.2 Инвестиционный проект адаптированной земельно – охранной системы в бассейне реки Челбас.. 277
6.3 Инвестиционный проект адаптированной земельно – охранной системы в бассейне реки Ея 288
6.4 Инвестиционный проект адаптированной земельно – охранной системы утилизации очищенных сточных вод консервных заводов агропромышленного комплекса 293
6.5 Инвестиционный проект адаптированной земельно – охранной системы спиртзаводов 296
6.6 Эколого-экономический эффект предотвращенного ущерба земельным ресурсам при утилизации очищенных сточных вод на земледельческих полях орошения 298
6.7 Выводы по разделу 6 301
Заключение 303
Литература 309
Приложения 355
Приложение А. Документы о внедрении результатов выполненных научных исследований 356
Приложение Б. Документы о внедрении результатов выполненных исследований в учебный процесс 384
Приложение В. Документы, подтверждающие техническую новизну разработанных автором методов, способов и технических средств 385
Приложение Г. Химический анализ грунтов, почв и донных отложений 394
Приложение Д. Документы, подтверждающие степень достоверности и апробации результатов исследований 397
Приложение Е. Бизнес – план строительства оросительной системы ОАО «Родина» Каневского района Краснодарского края 400
- Анализ современного состояния агроландшафтов
- Выбор ресурсосберегающих адаптированных технологий и комплекта мелиоративных машин для повышения агроресурсного потенциала агроландшафта
- Исследование режима орошения дождеванием и оценка влияния очищенных сточных вод на агроресурсный потенциал агроландшафтов
- Инвестиционный проект адаптированной земельно – охранной системы в бассейне реки Ея
Введение к работе
Актуальность работы. Нерациональная хозяйственная деятельность предприятий агропромышленного комплекса (АПК) приводит к деградации агроландшафтов и загрязняет водные объекты. Для переработки сельскохозяйственной продукции требуются значительные объемы чистой воды, которые в среднем на одно предприятие достигают 200–400 тыс. м3 в год. Отходы в виде недостаточно очищенных производственных стоков вызывают деградацию сельскохозяйственных земель, масштабное загрязнение грунтовых и поверхностных вод. Малые реки являются основным источником орошения и рыборазведения, но из-за загрязнения вод они практически не пригодны для этих целей, донные отложения на 50–80 % перекрывают русла, что приводит к подъёму уровня грунтовых вод, подтоплению и переувлажнению сельскохозяйственных земель и населенных пунктов.
В Краснодарском крае ежегодно из-за подтопления и переувлажнения агроландшафтов списываются посевы сельскохозяйственных культур на площади до 200 тыс. га, что негативно отражается на экономике сельского хозяйства. Потери в денежном выражении оцениваются суммой в 5 млрд. руб. в переводе на урожай озимой пшеницы. Охрана сельскохозяйственных земель должна опираться на методологию устойчивого развития агроландшафтов при повышении качества земельных и водных ресурсов путем разработки системы, которая создаст условия сохранения и восполнения ресурсов для обеспечения продовольственной безопасности страны. К такой системе следует отнести сельскохозяйственный мелиоративный комплекс (СМК).
Сельскохозяйственный мелиоративный комплекс – система природоохранных мероприятий, направленных на восстановление, охрану агроресурсного потенциала агроландшафтов от деградаций для получения высоких и конкурентных урожаев сельскохозяйственных культур.
Проблема охраны земель и водных объектов от деградации разрабатывалась в рамках государственной программы Министерства сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продоволь-
4 ствия» в 2010 – 2017 гг. по государственным контрактам: № 15 – ГП - 2000; № 15 – ГП - 2001; № 5 1/1–2002; №6 1/2– 2003; №6 1/1– 2004; №6 1/1–2005; №4 2.1/34-2006; №4 2.1/34-2007; №6.1.1/38-2008; №5.1/35–2009; ГК № 26-2012; ГК № 20-2013; К № 46-2014; К № 112-2015; К №86-2016; ГК № 77-2017; планов научно– исследовательской работы Кубанского ГАУ по госбюджетным тематикам: № ГР 01.2.006306831 (2006-2010 гг.); № ГР 01201153628 (2010-2015 гг.); № ГР АААА-А16-116022410039-5 (2016-2020 гг.).
Степень разработанности темы. Несмотря на большое количество научных работ, связанных с охраной сельскохозяйственных земель от деградаций и восстановления водных объектов от истощения, можно отметить только начальный этап создания и развития методологии теоретических основ систем, связанных с устойчивым развитием агроландшафтов и водных источников с учетом обеспечения экологической безопасности в зонах влияния объектов сельскохозяйственного производства. С развитием, расширением и модернизацией агропромышленного комплекса требуются более совершенные методы охраны окружающей среды, которые должны быть направлены на сохранение природных ресурсов. Повышение уровня устойчивого развития агроландшафтов может выполняться с разработкой адаптированных земельно-охранных систем (АЗОС), в составе которых следует применять ресурсные модели «агро-ландшафт–технология». Они позволят создать технологический замкнутый цикл контроля и управления ресурсами, в основе которого лежат ресурсосберегающие адаптированные технологии (РАТ) охраны земель и водных объектов. Необходим комплексный подход к получению информации о состоянии ресурсов с помощью ресурсных моделей и интегральных показателей, обоснованный выбор РАТ, разработке и внедрению достаточно простых, надежных в эксплуатации локальных комплексных очистных сооружений (ЛКОС) для утилизации отходов на земледельческих полях орошения (ЗПО) предприятий АПК.
Научная проблема. Прогрессирует деградация ландшафтов и водных объектов, обусловленная подтоплением и переувлажнением почв, загрязнением земель вследствие утилизации на них плохо очищенных сточных вод перерабатывающих предприятий; при этом известны научные методики и технологические приемы для
5 защиты от деградации, которые находятся на начальном этапе становления, что обуславливает их локальность.
Рабочая гипотеза. Сельскохозяйственный мелиоративный комплекс обеспечит устойчивое развитие агроландшафтов, повысит эффективность и расширит границы использования сельскохозяйственных земель, создаст условия применения комплексных мелио-раций для повышения агроресурсного потенциала (АРП) и охраны агроландшафтов от деградации.
Цель исследований. Разработать сельскохозяйственный мелиоративный комплекс на основе ресурсной модели «агроланд-шафт-технология» и ресурсосберегающих адаптированных технологий для устойчивого развития агроландшафтов с исключением деградации сельскохозяйственных земель и водных объектов.
Задачи исследований.
-
Обосновать сельскохозяйственный мелиоративный комплекс с замкнутым циклом непрерывного повышения устойчивости агроресурсного потенциала агроландшафтов.
-
Разработать модель адаптированной земельно–охранной системы, включающую ресурсосберегающие адаптированные технологии охраны сельскохозяйственных земель и водных объектов от деградации.
3. Получить ресурсную модель «агроландшафт-технология»
для оценки состояния агроресурсного потенциала и управления ре
сурсосберегающими адаптированными технологиями.
-
Разработать интегральный показатель риска и методику его оптимизации, интегральные шкалы безопасности рисков для оценки мелиоративного состояния почв по ресурсам.
-
Разработать метод управления агроресурсным потенциалом деградированного от подтопления и переувлажнения агроландшаф-та в составе адаптированной земельно–охранной системы.
6. Создать адаптированную земельно–охранную систему за
щиты от деградации степных рек и прибрежных ландшафтов и оце
нить агроресурсный потенциал ландшафта по интегральному пока
зателю рисков.
7. Выполнить производственную проверку эффективности
адаптированной земельно–охранной системы степных рек и при
брежных ландшафтов.
8. Создать ресурсосберегающую адаптированную технологию
круглогодичной и полной утилизации производственных сточных
вод дождеванием на земледельческих полях орошения консервных
заводов и выполнить производственную проверку эколого-
экономической эффективности.
9. Разработать ресурсосберегающую адаптированную техно
логию очистки сточных вод спиртзаводов, режим орошения дожде
ванием травопольного севооборота для полной и круглогодичной
утилизации жидких отходов производства спирта.
10. Получить методику прогноза накопления солей в поч-
вогрунте земледельческих полей орошения для установления срока
их эксплуатации.
11. Разработать и внедрить инвестиционные проекты адапти
рованных земельно–охранных систем комплексного использования
земельных и водных ресурсов.
Объект исследований. Сельскохозяйственный мелиоративный комплекс, включающий природные ресурсы и техногенные компоненты, обеспечивающий защиту агроландшафтов и водных объектов адаптированными земельно-охранными системами.
Предмет исследований. Закономерности влияния техногенной составляющей на природные ресурсы (земельные и водные), ресурсная модель «агроландшафт-технология», управляющая мелиоративным состоянием почв агроландшафтов, ресурсосберегающие адаптированные технологии утилизации отходов и охраны аг-роландшафтов от подтопления и переувлажнения и водных объектов от загрязнения отходами перерабатывающих предприятий агропромышленного комплекса.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием методов системного анализа, методологической основой исследований являлся ландшафтный подход. Лабораторные, производственные и полевые исследования проводились с использованием стандартных методик, приборов и оборудования в аттестованных лабораториях. Обработка экспериментальных данных выполнялась на персональных компьютерах методами математической статистики с применением прикладных программ. Использовались программные продукты: Mathcad 2000, Statistic 6,0, Microsoft Excel, системы GPS, Google, SAS.
7 Научная новизна диссертационной работы:
- система сельскохозяйственного мелиоративного комплекса,
расширяющая представление о комплексном использовании сель
скохозяйственных земель и водных объектов, в основу которого
положен замкнутый цикл непрерывного повышения устойчивости
агроресурсного потенциала агроландшафтов;
модель адаптированной земельно–охранной системы бассейнов степных рек, включающая ресурсосберегающие адаптированные технологии охраны агроландшафтов и водных объектов от деградации;
метод ресурсного моделирования состояния компонентов среды агроландшафта с помощью безразмерных индикаторов мелиоративного состояния почв, устанавливающий переход агроланд-шафта на новый уровень устойчивого развития под действием изменения энергии вещества таксона;
- ресурсная модель «агроландшафт-технология», полученная в
формальном виде, включающая риски как безразмерные величины;
- метод управления агроресурсным потенциалом деградиро
ванного от подтопления и переувлажнения ландшафта, имеющий в
основе усовершенствованный алгоритм ресурсной модели агро-
ландшафта;
- ресурсосберегающая адаптированная технология утилизации
отходов консервных заводов агропромышленного комплекса, обес
печивающая экономию энергоресурсов, сохранение агроресурсного
потенциала агроландшафтов, снижение доз внесения минеральных
удобрений и повышение урожайности культур севооборота на зем
ледельческих полях орошения;
- ресурсосберегающая адаптированная технология полной
утилизации отходов производства спирта, включающая получение
дополнительной продукции при орошении дождеванием сельскохо
зяйственных культур на земледельческих полях орошения.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- сельскохозяйственный мелиоративный комплекс, как систе
ма замкнутого цикла сельскохозяйственного производства, направ
ленная на циклическое повышение агроресурсного потенциала аг-
роландшафтов ресурсосберегающими адаптированными техноло
гиями в составе адаптированной земельно–охранной системы;
- модель адаптированной земельно–охранной системы защиты
агроландшафтов от деградаций, которая позволяет управлять ре
сурсосберегающими адаптированными технологиями;
- ресурсная модель «агроландшафт-технология», выполняю
щая интегрирование индикаторов мелиоративного состояния почв
различной природы и контроль над изменением ресурсов;
интегральный показатель рисков, который служит для определения состояния природных ресурсов системы сельскохозяйственного мелиоративного комплекса и позволяет производственникам принимать решение по управлению мелиоративным состоянием почв агроландшафтов;
интегральная шкала безопасности рисков и методика оптимизации интегрального показателя рисков, позволяющая научным работникам качественно оценить динамику мелиоративного состояния почв в зависимости от применяемых ресурсосберегающих адаптированных технологий, выполнять прогнозы устойчивости агроландшафтов;
- метод управления агроресурсным потенциалом агроланд-
шафта в адаптированной земельно–охранной системе, позволяю
щий производственникам управлять мелиоративным состоянием
почв с помощью комплекса машин для охраны сельскохозяйствен
ных земель от подтопления и переувлажнения, уменьшая затраты
на природоохранные мероприятия;
- адаптированная земельно – охранная система защиты от де
градации степных рек и прибрежных ландшафтов позволила уста
новить объемы донных отложений рек с последующим использова
нием их в сельском хозяйстве и увеличить емкость русел рек в 2,5
раза, снизить площадь подтопления прибрежных ландшафтов на 85 %;
- ресурсосберегающая адаптированная технология круглого
дичной и полной утилизации производственных сточных вод кон
сервных заводов, внедрение которой за период 4-х летней ротации
увеличило в почве земледельческих полей орошения содержание
гумуса на 13 %, питательных веществ: азота на 184,7 кг/га, калия на
5,7 кг/га;
- ресурсосберегающая адаптированная технология очистки
сточных вод спиртового завода при полной и круглогодичной ути
лизации их дождеванием земледельческих полей орошения, внед-
9 рение которой позволит за период 6-ти летней ротации увеличить запасы гумуса на 24 %;
- методика прогноза накопления солей в почвогрунте земле
дельческих полей орошения, позволяющая научным работникам и
производственникам устанавливать срок их эксплуатации при ути
лизации дождеванием производственных сточных вод;
- инвестиционные проекты адаптированных земельно–
охранных систем, внедрение которых обеспечило: в ЗАО «Колос»
Павловского района Краснодарского края прибавку урожая кукуру
зы на зерно 50 ц/га, зеленого горошка 30 ц/га; озимой пшеницы 20
ц/га; в ОАО «Родина» Каневского района Краснодарского края
прибавку урожая кукурузы на зерно от 50 до 60 ц/га, сахарной
свеклы 300 ц/га; озимой пшеницы 20 ц/га; в ООО «Кубанские кон
сервы» Тимашевского района Краснодарского края дополнитель
ный экономический эффект 1600 руб. на 1 га в виде прибавки уро
жая травопольного севооборота;
- две новые дисциплины «Сельскохозяйственный мелиора
тивный комплекс для устойчивого развития агроландшафтов и вод
ных объектов» и «Адаптированные земельно-охранные системы»,
внедренные по результатам научных исследований в учебном про
цессе, применяются на факультете гидромелиорации Кубанского
ГАУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
система сельскохозяйственного мелиоративного комплекса, обеспечивающая устойчивое развитие агроландшафтов;
модель адаптированной земельно-охранной системы, включающая ресурсосберегающие адаптированные технологии охраны сельскохозяйственных земель и водных объектов от деградации (патенты РФ №2492292, №2285768, №2326210);
метод ресурсного моделирования состояния компонентов среды агроландшафта с помощью безразмерных индикаторов мелиоративного состояния почв;
ресурсная модель «агроландшафт-технология», учитывающая риски применения ресурсосберегающих адаптированных технологий;
интегральный показатель рисков и методика его оптимизации для качественной оценки динамики мелиоративного состояния почв (патент РФ №2466522);
метод управления агроресурсным потенциалом деградированного агроландшафта (свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ);
адаптированная земельно–охранная система защиты от деградации степных рек и прибрежных ландшафтов;
ресурсосберегающие адаптированные технологии утилизации отходов консервных и спиртовых заводов (патент РФ №2569090);
- методика прогноза изменения водно–солевого режима почвы
агроландшафта;
-инвестиционные проекты адаптированных земельно-
охранных систем в сельскохозяйственном мелиоративном комплексе.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы докладывались на: Международной научно-практической конференции «Современные оросительные мелиорации - состояние и перспективы» (Волгоград, 2004 г.); Международной научно-практической конференции «При-родообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России» (Москва, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития агропромышленного комплекса» (Волгоград, 2005 г.); II Международной научно-практической конференции «Wyksztalcenie i nauka bez granic -2005» (Прага, 2005 г.); 1-й, 2-й, 3-й Международных научно-практических конференциях «Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия» (Краснодар, 2009 г., 2010 г., 2011 г.); Международных научно – практических конференциях «Кадастр земельных ресурсов: состояние, проблемы, перспективы развития» (Новочеркасск, 2012 - 2014 гг.); Международной научно-практической конференции «Интеграция науки и производства – стратегия устойчивого развития АПК России в ВТО» (Волгоград, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Наука третьего тысячелетия» (Самара, 2015 г.); Всероссийских и региональных научно-практических конференциях молодых уче-
11 ных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2004 – 2016 гг.); Международной научно-практическая конференция (Стерлитамак, 2017 г.). Разработки «Технология повышения агроресурсного потенциала сельскохозяйственных земель» и «Технология утилизации сточных вод комплексных очистных сооружений современными системами орошения», выполненные с участием автора, были представлены на Российской агропромышленной неделе «Золотая осень» (Москва: 2010 г. Серебряная медаль; 2011 г. Золотая награда), монография «Математическое моделирование природных процессов в природообустройстве» награждена дипломом лауреата Международной выставки «Золотой фонд отечественной науки» (Москва, 2016 г.).
Реализация результатов исследований подтверждается актами внедрения в производство: Министерства сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края; ФГБУ «Управление «Кубаньмелиоводхоз»; департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края и хозяйств Тимашевского, Каневского, Павловского, Динско-го, Белореченского, Кореновского, Усть-Лабинского, Калининского районов Краснодарского края на общей площади более 10 тыс. га в период 2005 – 2016 гг.
Результаты научных исследований автора внедрены в учебный процесс Кубанского ГАУ.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 118 печатных работ, из них 18 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 монографии, 3 рекомендации работникам АПК, 9 патентов РФ на изобретения и 28 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников, включающего 389 наименований, в том числе 22 источника на иностранном языке, приложения. Диссертация изложена на 407 страницах компьютерного текста, в том числе на 52 страницах приложения, содержит 62 рисунка, 68 таблиц.
Анализ современного состояния агроландшафтов
Под действием на геосистему антропогенных факторов происходит постепенное преобразование ландшафтов в агроландшафты. При этом изменяется агроресурсный потенциал почв. Основные техногенные изменения агроландшафтов в крае происходят от подтопления и переувлажнения (таблица 1.6) [153, 241, 350-357].
Деградация агроландшафтов от антропогенных факторов проявляется более масштабно в сочетании с применением необоснованных объемов пестицидов при обработке полей [49, 68, 74, 99, 104].
Поступление загрязненных вод с полей и стоков от переработки продукции АПК в водные объекты, вызывает деградацию прибрежных агроландшафтов и водоёмов [14, 18, 31, 33, 51, 53, 166]. Проблема широко рассмотрена в научных работах В. Н. Щедрина [363], Г. В. Шевченко [351-310], И. П. Кружилина [129], М. С. Григорова [54], А. Д. Гумбарова [58], Е. В. Кузнецова [151-154], С. М. Васильева [28-30], Л. В. Кирейчевой [105, 106], В. И. Сметанина [295] и др. Ученые считают, что для устойчивого развития агроландшафтов необходимо управлять качеством среды и воспроизводством ресурсов, учитывать риски применения технологий на агроландшафтах. Необходим комплексный подход к решению проблемы восстановления плодородия агроландшафтов, которые были подвержены переувлажнению и деградации от загрязнений. Е. В. Кузнецов и Г. В. Шевченко [143], А. Е. Хаджиди [230, 246-248, 315, 317, 320, 324, 330] отмечают, что проблему повышения устойчивости АРП аг-роландшафтов следует решать комплексно с выделением двух этапов.
Первый этап охраны агроландшафтов - разработка ЗОС бассейна реки, необходимой для повышения эффективности комплексных мероприятий.
Второй этап – разработка комплексных мероприятий восстановления деградированных агроландшафтов, которые должны включать: 1) мониторинг аг-роландшафтов; 2) прогноз подтопления и переувлажнения агроландшафтов; 3) прогноз изменения водно-солевого режима агроландшафтов под действием ресурсосберегающих адаптированных технологий; 4) риски применения ресурсосберегающих адаптированных технологий; 5) разработка ресурсных моделей охраны агроландшафтов от деградации; 6) утилизацию отходов сельскохозяйственного производства.
Установлено, что поверхностный и подземный сток, формирующийся на переувлажненных агроландшафтах, более загрязнен, чем сток с территорий, защищенных от переувлажнения [251]. Наиболее существенное загрязнение стока наступает от воздействия антропогенных факторов: обработка полей пестицидами; загрязнение и заиление водоприемников алевритом; загрязнение земель нефтепродуктами и перемещение их грунтовыми водами в водоприемники; загрязнение от биогенных элементов почвы; загрязнение территорий стоками животноводческих ферм и производственными сточными водами предприятий переработки.
Пестициды, вносимые на сельскохозяйственные поля, на переувлажненных землях легче вымываются в водоприемники грунтовыми водами. Органические вещества в поверхностном и подземном стоке содержатся в растворенном и нерастворимом состоянии. На долю суспензий приходится около 90% общего количества окисляющихся веществ, присутствующих в стоке [19, 63, 251]. Химическое потребление кислорода взвесями поверхностного стока составляет 0,3–0,5 мг/мг. Полное биохимическое окисление достигается через 25– 30 суток. Соотношение БПКПОЛН. / БПК5 в среднем составляет 2,5–3,0. Поверхностный сток вследствие неправильной распашки полей и снижением доли трав в севооборотах, выносит значительное количество мелкозема в водные объекты, вызывает их загрязнение и заиление. Донные отложения нарушают жизнедеятельность микроорганизмов, что отрицательно сказывается на биоценозе и процессах самоочищения [113, 148]. Содержание нефтепродуктов в стоке вызывает изменение органолептических свойств воды, загрязнения изменяет запах, увеличивает мутность воды, придает воде окраску.
Кроме перечисленных загрязнений в поверхностном стоке и грунтовых водах могут содержаться биогенные элементы, соединения тяжелых металлов, специфические примеси и бактериальные загрязнения, вызванные нарушением технологии утилизации животноводческих стоков и перерабатывающих предприятий АПК. Значительной проблемой является деградация плодородных земель от подтопления и переувлажнения в предгорной зоне Краснодарского края. Результаты инвентаризации переувлажненных земель, выполненные институтом ФГУ «Кубаньгипрозем» в 1972г.,1988-89 гг., 1997 г. и НИИ «ГЕЯ-НИО» г. Краснодар совместно с КубГАУ в 2007 г., приведены в таблице 1.7.
Данные таблицы 1.7 показывают, что площадь подтопления и переувлажнения агроландшафтов (ППА) в предгорной северо-западной зоне края увеличилась с 38,3 (1972 г.) до 75,7 тыс. га (1997 г.). В 2007 г. площади ППА уменьшились до 48,6 тыс. га. Это связано с внедрением комплексных мероприятий по восстановлению плодородия земель, и, в том числе, с охраной земель от подтопления и переувлажнения. Однако процент ППА по районам значительный и составляет для Абинского – 27,0%; Крымского – 27,2 % и Северского района - 25,3 %.
Как считают И. Д. Черниченко, В. П. Суетов, Е. В. Кузнецов, С. Ю. Орлен-ко агроландшафты предгорной зоны следует отнести к 3 и 4 группам переувлажненных земель (земли длительного переувлажнения). Ликвидировать подтопление и переувлажнение, а также снизить загрязнения земель можно при помощи комплексных мелиораций, используя 2–х этапную схему восстановления плодородия техногенных агроландшафтов [39, 241]. Е. В. Кузнецовым, С. А. Владимировым [136], С. Ю. Орленко и др. [208, 209] установлено, что теп-ловлагообеспеченность агроландшафта (климатические ресурсы) можно применять при прогнозировании урожайности культур. При прогнозе урожайности используются коэффициент увлажнения (Ку) и гидротермический коэффициент (ГТК), которые в полной мере отражают тепловлагообеспеченность территории в вегетационный период сельскохозяйственных культур. Ими были установлены интервалы варьирования ГТК и Ку, при которых в предгорной зоне получены наибольшие урожаи и потери урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от Ку (таблица 1.8).
Выбор ресурсосберегающих адаптированных технологий и комплекта мелиоративных машин для повышения агроресурсного потенциала агроландшафта
Ресурсное моделирование деградированного от подтопления и переувлажнения агроландшафта выполняется по количественной оценке МСП, а разработанная модель «агроландшафт – технология» предоставляет полученные результаты исследований для разработки методов управления АРП территории [142, 262]. Программа в справочной базе содержит ресурсосберегающие адаптированные технологии с перечнем мелиоративной техники для выполнения необходимых операций по мелиорации и охране земель [267, 268, 271, 272, 275].
Алгоритм программы настроен на подбор комплекса мелиоративных машин, который в технологической последовательности процесса механической обработки почвы выполнит мероприятия для повышения АРП агроландшафта.
Подбор необходимого и достаточного комплекса мелиоративных машин производится с учетом имеющихся в базе данных по ресурсосберегающим адаптированным технологиям и технологической последовательности операций для стандартных ситуаций подтопления и переувлажнения агроландшафтов.
Необходимыми и достаточными условиями применения ресурсосберегающей адаптированной технологии для повышения АРП являются:
1. Выбор из интерактивного меню необходимого перечня техники для выполнения РАТ комплексом мелиоративных и сельскохозяйственных машин (рисунки 3.6 и 3.7).
2. Размер площади поля, подверженного деградации от подтопления (переувлажнения), и общей обрабатываемой площади агроландшафта.
3. Стоимость 1 кг горюче смазочных материалов (ГСМ).
4. Объем инвестиций для комплекса технологических операций.
Программа рассчитывает ресурсную модель «агроландшафт-технология», которая управляет откликом имитационного моделирования ресурсов агроланд-шафта, где в качестве управляемого параметра используется АРП. Ресурсная модель учитывает ограничения по энергетическим, экономическим и трудовым ресурсам (рисунок 3.8).
Программа определяет стоимость и энергозатраты, необходимые на выполнение комплекса мероприятий, которые заложены в её базу с учетом различных почвенных условий с введенными ограничениями стандартных ситуаций мелиоративной обработки полей.
Для повышения АРП разработаны индивидуальные технологические схемы и приемы [132, 153, 154] (свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ). В зависимости от стандартной ситуации подтопления или переувлажнения агроландшафта определяется технологический состав операций и комплект мелиоративных машин, которые зависят не только от начального состояния МСП, но и от предшествующей культуры [240, 263, 264, 266, 269, 274] (рисунок 3.9). Разработаны стандартные ситуации по мелиоративной обработке агроландшафтов после предшественника, которые приводятся в рекомендациях по охране сельскохозяйственных земель от подтопления и переувлажнения [90, 132, 153, 154].
Стандартные ситуации формируются при чрезвычайных ситуациях: - сплошное подтопление полей за счет поднятия УГВ до критического уровня (индикатор I8);
- подтопление понижений рельефа и локальных понижений внутри полей за счет грунтового и поверхностного стока (индикатор I10);
- переувлажнение полей за счет затруднения поверхностного стока в ран-невесенний период (индикаторы I8, I10).;
- переувлажнение за счет накопления грунтовой воды в почве (индикатор I9).
Для стандартных ситуаций подтопления полей в программе заложены базовые комплекты мелиоративных машин и механизмов, которые адаптированы к чрезвычайным условиям производства работ при затоплении полей. Базовые комплекты в зависимости от нестандартной ситуации подтопления на рассматриваемом поле, можно изменять в программе, добавляя или убирая агромелиоративные приемы, которые обеспечивают выполнение необходимых мелиоративных работ для ликвидации чрезвычайной ситуации.
В результате для обработки поля подбирается не только необходимая схема работ, но и адаптированный комплекс технологических операций, позволяющий максимально эффективно использовать имеющиеся ресурсы.
В разработанной компьютерной программе для повышения эффективности выполняемых технологических операций предусмотрено использование современной отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники. Комплексная механизация мелиоративных работ должна предусматривать оптимальное сочетание строительных и мелиоративных машин как в процессе выполнения капитальных масштабных работ - строительство крупных осушительных коллекторно-сбросных сетей, так и в процессе их эксплуатации, при выполнении технологии возделывания сельскохозяйственных культур в мелиоративных севооборотах [90, 264-266, 269, 270, 274, 284, 326].
Основным условием при разработке АЗОС должно быть обеспечение требуемого качества работ при минимальных материальных затратах и снижении себестоимости урожая. Для эффективного выполнения мелиоративных работ применяют специальные мелиоративные, общестроительные и сельскохозяйственные машины. В программе сформирован виртуальный парк основных машин и мелиоративной техники для комплексных мероприятий на подтопляемых и переувлажняемых сельскохозяйственных землях. Конечным результатом разработанной компьютерной программы является технологическая карта (рисунок 3.10) с указанием на ней технологических операций, основных агротехнических требований и сельскохозяйственных агрегатов для их выполнения [266,269, 270, 273].
Информация на карте показывает необходимые ресурсы по выполнению каждой технологической операции, объем работ и агротехнический срок их выполнения, продолжительность рабочего времени, затраты труда, энергоемкость, металлоемкость и другие показатели выполняемых операций, которые позволяют специалистам АПК производить анализ агромелиоративных мероприятий для повышения агроресурсного потенциала сельскохозяйственных земель для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур.
Модель «агроландшафт-технология» оценивает экологическую и экономическую целесообразность технологических работ по двум показателям эффективности: критерий экологической безопасности и критерий экономической целесообразности. Оба показателя на одном и том же поле зависят от состава, периодичности технологических операций, комплекса машин, что позволяет сравнивать различные варианты повышения агроресурсного потенциала сельскохозяйственных земель по следующим показателям.
1). Экологический показатель - улучшение МСП, снижение антропогенной нагрузки на почву в результате оптимизации технологических операций, проводимых на поле, восстановление деградированных и выведенных из севооборотов сельскохозяйственных земель.
Данный показатель оценивается по интегральному показателю риска имитационной модели агроландшафта после проведения комплекса мелиоративных работ (ИПР2).
2). Экономический показатель {ЭП) ЭП = {АУ - 3) I 3, где АУ - прибавка урожая, руб.; 3 - затраты на выполнение РАТ, руб.) показывает снижение себестоимости продукции, получение дополнительной прибыли от прибавки урожая АУ и увеличения посевных площадей за счет введения восстановленных сельскохозяйственных земель, снижение расходов на амортизационные отчисления, заработную плату рабочим, ГСМ. При ЭП0 - РАТ эффективны.
Экологические и экономические критерии оценки комплексных мероприятий позволяют пользователям-аграриям делать вывод о целесообразности применения ресурсосберегающих адаптированных технологий для получения конкурентных урожаев сельскохозяйственных культур.
Разработанная методика по охране агроландшафтов от подтопления и переувлажнения является универсальной, может адаптироваться к любым природным условиям для различных направлений хозяйственной деятельности АПК.
Исследование режима орошения дождеванием и оценка влияния очищенных сточных вод на агроресурсный потенциал агроландшафтов
На территории предприятия в 2008 г. на расстоянии 3 км от консервного завода ООО «Кубанские консервы» для утилизации сточных вод дождеванием построены земледельческие поля орошения в ООО «Прогресс» Тимашевского района Краснодарского края (Приложение А, стр. 376-377). При разработке способа утилизации СВ на ЗПО были учтены природно-климатические условия района, которые влияют на состав технологических операций и режим работы ЛКОС, выбор поливной техники и режим орошения культур севооборота.
На территории преобладают массы континентального воздуха умеренных широт. Приходящие извне воздушные массы атлантического, арктического и тропического происхождения обычно бывают уже в значительной степени трансформированными и вскоре окончательно перерождаются в континентальный воздух умеренных широт. При этом существенное влияние на общую циркуляцию оказывают система хребтов Западного Кавказа и близость морей - Азовского и Черного [45].
Среднемноголетняя суточная температура воздуха + 11,5С. Самым холодным месяцем является январь со среднемесячной температурой воздуха минус 13,4С и абсолютным минимумом минус 30С. Средняя дата появления снежного покрова - середина декабря, схода покрова - середина марта. Продолжительность вегетационного периода 168 - 222 дней. Наиболее жаркий месяц - август, среднемесячная температура + 29,3С с абсолютным максимумом температуры +43С.
Территория участка расположена на аккумулятивно-эрозионной лессовой плиоцен-четвертичной равнине. Почвообразующими породами являются лессовидные глины, реже тяжёлые суглинки. Под влиянием климата на участке сформировались плодородные черноземные земли. Почвенными изысканиями установлено [304], что механический состав и генезис почв на территории исследуемого участка находится в прямой зависимости от геоморфологических условий.
Мощность гумусово-аккумулятивного горизонта А+В 160 см, содержание гумуса в пахотном горизонте 5,76 %. Реакция почвенной среды слабощелочная по всему профилю (рН = 7,2). Механический состав легкоглинистый, содержание физической глины 64,4 %. Почвы не засолены (содержание солей менее 0,015%), не солонцеватые (содержание поглощенного натрия менее 5,0 % от суммы поглощенных оснований).
Из анализа природно-климатических условий можно сделать вывод, что водно–физические свойства почв и климат позволяют в условиях Тимашевского района проводить полную утилизацию очищенных производственных сточных вод завода круглогодично.
Соотношение испарения и осадков (коэффициент увлажнения) благоприятно для круглогодичной утилизации очищенных стоков в пределах исследуемого аг-роландшафта. Однако в вегетационный период наблюдается дефицит водопо-требления, коэффициент увлажнения приближается к критическому по сухости климата значению.
Для выбора технологии утилизации очищенных стоков при орошении исследуются характеристики почвы ЗПО (таблица 4.5).
Характеристики почвы ЗПО пригодны для утилизации очищенных СВ с помощью орошения. Исторически черноземы образовались при соответствующих природно-климатических условиях под действием промывного режима от дождевых осадков. Поэтому на участке ЗПО предпочтение следует отдать адаптированному к природным условиям орошению культур дождеванием. Орошение дождеванием актуально, когда необходимо поливать малыми нормами и, особенно, при орошении очищенными сточными водами [8].
Исследования по оценке качества оросительной воды показывают, что производственные сточные воды завода обладают высокой удобрительной ценностью (таблица 4.2). В соответствии с графиком работы консервного завода определяется объем и состав СВ на утилизацию при орошении сельскохозяйственных культур и рассчитывается количество поступающих с оросительной водой питательных веществ NPK в почву ЗПО (таблица 4.6).
Для утилизации очищенных сточных вод был выделен участок трапецеидальной формы общей площадью 270 га брутто. Участок разделен на три четырехпольных севооборота (рисунок 4.13).
Основной культурой севооборота принята люцерна. Она может обеспечить положительный баланс биомассы и гумуса в почвах, способствует оструктурива-нию почвы, предохраняет почву от ветровой и водной эрозии [95, 178].
Для условий степной зоны Краснодарского края обоснована оросительная норма для люцерны первого года жизни – 3500 м3/га, последующих лет вегетации - 4900 м3/га. Поэтому оросительная норма культур севооборота ЗПО должна формироваться дополнительно за счет разбавления очищенного стока водой из природных водных источников. Второй культурой в структуре посевных площадей при орошении является озимая пшеница.
Орошение озимой пшеницы обеспечивает высокий урожай независимо от засушливости года. При достаточном количестве влаги и питательных веществ в почве имеются все возможности для получения своевременных и дружных всходов. Частые поливы малыми нормами способствуют энергичному развитию узловых корней. Благодаря этому, растения лучше используют питательные вещества и дают более высокие урожаи. Лучшим предшественником для озимой пшеницы в полевых севооборотах служит пласт многолетних трав [177, 178, 191, 193, 197]. Для получения конкурентных урожаев и сохранения плодородия почвы ЗПО был принят 4-х польный севооборот: люцерна 1 года; люцерна 2 года; люцерна 3 года; озимая пшеница. На полях севооборота, занятых люцерной, предполагается после первого укоса на зеленый корм выращивать люцерну на сено.
Для орошения использованы дождевальные системы «Lindsay» [316, 325, 331] (рисунок 4.14).
По длине пролета каждой машины устанавливаются распылители оросительной воды "ROTATOR R3000", создающие интенсивность дождя 0,023 мм/мин и диаметр капель 0,6 мм, что является необходимым условием для охраны почвы от водной эрозии [183].
Применительно к дождевальным машинам кругового перемещения, с учетом оросительных норм, размерами севооборотного участка и суточным запасом поливной воды в биологических прудах завода, исследованиями установлено:
1). Дождевальные машины с ротаторами R3000 и шагом 1м должны распылять воду на высоте около 0,6 – 0,8 м от поверхности почвы;
2). Режим орошения должен соответствовать по времени и поливным нормам режиму подготовки производственных СВ (графику работы завода). Объем воды, поступающий на полив, должен успевать впитываться в почву за время полива.
3). Для черноземных почв интенсивность дождя не должна быть выше 0,10-0,15 мм/мин, следовательно, интенсивность дождя ротаторами R3000 с интенсивностью 0,023 мм/мин соответствует экологическим требованиям.
Севообороты разделены дорогами шириной 6м. Внутри севооборота поля разделены полевыми дорогами шириной 3 м. В центре каждого севооборотного участка расположен стационарный гидрант для подключения оросительной системы. Гидранты расположены на закрытом трубопроводе диаметром 250 мм. Материал труб – поливинилхлорид. Размеры севооборотного участка для орошения круговыми ДМ даны в таблице 4.7.
Инвестиционный проект адаптированной земельно – охранной системы в бассейне реки Ея
Исследования проводились в 2008 – 2012 гг. на агроланлшафте, примыкающем к участку реки Сосыка длиной 2,7 км в районе ст. Павлоской Па-вовского района Краснодарского края. Инвестиционный проект АЗОС в бассейне реки Ея внедрен и включает мелиоративную систему ЗАО «Колос» Павловского района Краснодарского края (рисунок 6.2) на площади 1376 га (Приложение А, стр.378-379).
Для повышения эффективности проекта выполнялся комплекс мероприятий, направленных на расчистку участка реки Сосыка для орошения сельскохозяйственных культур [228, 314, 317, 326, 327, 334], охрану от подтопления прибрежных агроландшафтов [280] и восстановление рыбного хозяйства [137, 140].
Инвестор проекта консервный завод ООО «ТЕХАДА» Краснодарского края, объект инвестирования - ЗАО «Колос». Инвестиционный проект АЗОС предусматривает применение ДМ фронтального и кругового действия фирмы «Valley» (США) и катушечных ДМ (Италия) для орошения овощных культур.
Проект АЗОС окупается высокой прибылью за счет увеличения урожайности овощей при орошении и дополнительной продукции (консервов), полученной при орошении и дополнительной продукцией (консервы), полученной при переработке овощей. Эффективность проекта АЗОС обеспечивается [146, 314, 325, 335]: режимом орошения овощных культур и применением современных ДМ нового поколения; комплексом мероприятий по охране от подтопления и переувлажнения прибрежных агроландшафтов и вводом в эксплуатацию земель, восстановленных от деградации; расчисткой участка реки Сосыка (бассейн реки Ея) от донных отложений для увеличения во-довместимости русла реки; биологической рекультивацией прибрежных аг-роландшафтов после выполнения РАТ по отводу избыточных вод с подтопляемой территории.
Для обоснования инвестиций выполняется оценка экологического ущерба от природоохранных мероприятий по восстановлению водности участка реки. На участке реки в вегетационный период (июль-август) русло практически пересыхает. В небольших ямах выживает лишь ничтожное количество молоди (карась, плотва, окунь, линь) рыбы. Однако, расчеты по ущербу биоресурсам в инвестиционных проектах следует выполнять. Оценка ущерба, наносимого рыбному хозяйству работами по расчистке участка реки, выполнена в соответствии с действующей методикой «Методика исчисления размера вреда, причиненного водным биологическим ресурсам», утвержденная приказом Росрыболовства от 25.11.2011, N 1166 (раздел 6.2). Ущерб, нанесенный биоресурсам на участке расчистки реки Сосыка, составляет 29,051 тыс. руб. В таблице 6.7 приведены результаты расчета компенсационных затрат на восполнение ущерба окружающей среде при внедрении проекта АЗОС ЗАО «Колос».
Компенсационные затраты показывают, что при выполнении комплекса мероприятий на 1 км участка необходимы инвестиции в размере 445,91 тыс. руб. Высокая стоимость компенсационных затрат при проведении природоохранных мероприятий на участке реки Сосыка обусловлена масштабной деградацией, вызванной подтоплением агроландшафтов, большими объемами биологической рекультивацией земель (раздел 3) и составляет 1152,03 тыс. руб.
В проекте предусматривается орошение овощных культур, где в состав севооборота входит сладкая кукуруза мягких сортов и зеленый горошек на консервы, а также озимая пшеница и соя. Соя пожниво на орошении гарантирует урожаи до 35 ц/га и позволяет сбалансировать севооборот. В ООО «ТЕХАДА» имеется собственный консервный завод для переработки овощей, что повышает эффективность инвестиционного проекта. Отходы консервного завода очищаются на ЛКОС и сбрасываются в поселковую канализацию.
Проект АЗОС обеспечивает существенную прибыль при орошении овощных культур севооборота от прибавки урожая. В таблице 6.8 приведены результаты расчета экономической эффективности проекта.
Исследования по урожайности культур севооборота показывают высокую экономическую эффективность орошения в ЗАО «Колос» Павловского района. Прибавка урожая для озимой пшеницы достигает 20 ц/га (увеличение урожайности в 1,55 раза), кукурузы на зерно – 50 ц/га (увеличение урожайности в 2,3 раза), зеленого горошка - 30 ц/га (увеличение урожайности в 2,4 раза). Эффективность проекта АЗОС от орошения овощных культур для принятого севооборота составляет – 69 млн. 948 тыс. руб.
При определении эколого-экономической эффективности проекта учитываются затраты, которые включают стоимость мелиоративной системы -132,09 млн. руб., в т. ч. с комплексом мероприятий по охране агроландшаф-тов от подтопления и переувлажнения и биологическая рекультивация, а также стоимость расчистки участка реки Сосыка с учетом компенсационных затрат (таблица 6.7) – 112,72 млн. руб.
Расчистка русла участка реки выполнялась земснарядом ЛС-27, который формирует береговые ландшафты и береговую линию участка реки. Это позволяет восстанавливать водоохранную зону реки. Эколого-экономическая эффективность инвестиционного проекта АЗОС определяется прибавкой урожая при орошении овощного севооборота на площади 1376 га (таблица 6.9).
Результаты внедрения РАТ показывают высокую эффективность проекта АЗОС, который имеет хорошие экономические показатели за счет увеличения урожайности овощей при орошении и получения второго урожая сои пожнивно. Срок окупаемости инвестиций составляет 5,8 года при норме дисконта 0,12.
Следовательно, основными элементами проекта должны быть ресурсосберегающие адаптированные технологии, базирующиеся на ресурсной модели «агроландшафт-технология» для управления агроресурсным потенциалом агроландшафтов направленные на охрану ландшафтов от деградации.