Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние изученности вопроса и обоснование направлений исследований 10
1.1 Обоснование актуальности проведения исследований 10
1.2 Обзор исследований в рамках дистанционного мониторинга по восстановлению почвенного плодородия 11
1.3 Анализ видов деградации орошаемых земель Ростовской области 13
1.4 Анализ основных мероприятий по восстановлению деградированных орошаемых земель 18
Выводы по первой главе 21
2 Анализ природно-климатичеких особенностей района исследований и методика исследований 22
2.1 Природно-климатические условия района исследований 22
2.2 Материалы и методы полевых и дистанционных исследований 23
2.3 Рабочая гипотеза и блок-схема проведения исследований 32
Выводы по второй главе 34
3 Теоретические исследования и оценка интенсивности процессов деградации орошаемого почвенного покрова 35
3.1 Теоретические исследования территориальной дифференциации нарушенных земель 35
3.2 Дешифрирование космических снимков и полевая калибровка изменения почвенного плодородия 41
3.3 Оценка интенсивности процессов деградации территориальной дифференциации нарушенных земель в рамках исходных территориальных единиц 53
3.4 Результаты мониторинга процессов деградации по данным полевых и дистанционных исследований 59 Выводы по третьей главе 76
4 Разработка способа рекультивации нарушенных сельскохозяйственных земель 78
4.1 Теоретическое обоснование разработки способа рекультивации деградированных орошаемых земель 78
4.2 Обоснование выбора компонентов для композиции из влагосорбентов 88
4.3 Практическое обоснование разработки способа рекультивации почвенного плодородия нарушенных орошением земель 92
4.4 Определение оптимального состава компонентов композиции из влагосорбентов 94
4.5 Определение оптимальной дозы композиции из влагосорбентов для внесения в нарушенные орошаемые земли 101
4.6 Результаты восстановления почвенного плодородия нарушенных земель по предлагаемому способу 1 4.6.1 Результаты оценки восстановления водно-физических свойств почвы 110
4.6.2 Результаты оценки восстановления агрохимических свойств почвенного покрова 114
4.6.3 Результаты оценки состояния посевов сельскохозяйственных культур по вегетационному индексу NDVI 116
4.7 Практическое использование предлагаемого способа и рекомендации производству 118
Выводы по четвертой главе 129
5 Экономическая эффективность применения способа рекультивации нарушенных орошаемых земель 131
5.1 Ресурсно-экологическая оценка эффективности применения способа рекультивации нарушенных орошаемых земель 131
5.2 Расчёт годового экономического эффекта от внедрения способа рекультивации нарушенных сельскохозяйственных земель 138
Выводы по пятой главе 140
Заключение 141
Список литературы
- Обзор исследований в рамках дистанционного мониторинга по восстановлению почвенного плодородия
- Материалы и методы полевых и дистанционных исследований
- Оценка интенсивности процессов деградации территориальной дифференциации нарушенных земель в рамках исходных территориальных единиц
- Определение оптимальной дозы композиции из влагосорбентов для внесения в нарушенные орошаемые земли
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Почвенное плодородие имеет важное экологическое и народнохозяйственное значение, так как оно увеличивает ценность орошаемых земель не только как объектов производственной деятельности, но и как компонентов агроландшафта.
Нерациональное использование почвенных ресурсов недопустимо, в особенности это касается регионов, расположенных в чернозёмной зоне России, где потенциал плодородия, при правильной системе земледелия, огромен. В особом отношении к себе нуждаются земли, долгое время бывшие в орошении и без проведения мероприятий по восстановлению почвенного плодородия сильно деградировавшие. На таких землях, в которых превалируют процессы эрозии, де-гумификации. Они в массовом порядке переходят в разряд нарушенных.
Повышением эффективности мероприятий по рекультивации нарушенных земель занимались: Б. Б. Шумаков, М. С. Григоров, И. Л. Кружилин, Л. В. Кирейчева, С. М. Васильев, Ю. П. Поляков, Е. В. Полуэктов, А. В. Вол-женский, М. П. Мещеряков, А. С. Фалькович, А. А. Пахомов и др. Однако в привязке к условиям юга Ростовской области эти разработки требуют дальнейшего развития, а растущие масштабы деградационных явлений предопределяют поиск новых более эффективных путей решения этой проблемы. По нашему мнению наиболее актуальна разработка эффективных способов приготовления, внесения и последующего мониторинга эффективности использования новых мелиорантов и влагосорбентов.
Для полного использования всего потенциала плодородия используемых в сельскохозяйственном производстве земель, для восстановления водно-физических свойств почвы, а также, в целом, улучшения плодородия чернозёмных почв, структуры и функций необходимо усовершенствовать способ рекультивации нарушенных орошаемых земель за счёт разработки и использования новых мелиорантов и сорбентов на основе местных материалов. Только при своевременном решении проблем восстановления плодородия почв нарушенных орошаемых земель можно добиться высокой эффективности сельскохозяйственного производства.
Степень разработанности проблемы. В настоящее время накоплен обширный опыт различных мероприятий по восстановлению почвенного плодородия. Исследованиям по вопросам решения данной проблемы посвятили свои работы Б. Б. Шумаков, В. Н. Щедрин, М. С. Григоров, Л. В. Кирейчева, В. И. Ольгаренко, Е. В. Полуэктов, А. Н. Цепляев, Л. М. Докучаева, Н. С. Скуратов, А. С. Фалькович, А. Е. Новиков, Е. Ю. Финошина, P. Menzel, R. Frey, G. W. Musgrave и др. Высоко оценивая существующие результаты научных исследований, следует отметить, что имеющиеся способы разработаны и внедрены в производство в основном при рекультивации солонцовых почв или входят в состав агротехнических мероприятий.
Вопросы оценки почвенного плодородия по данным дистанционного зондирования Земли рассматриваются в работах В. Н. Щедрина, Е. А. Лупяна,
С. А. Барталева, В. А. Толпина, А. В. Кашницкого, Ю. Н. Зборищук, В. И. Кравцовой, К. Н. Кулик, А. С. Рулева, А. А. Савельева, Д. В. Добрынина, В. И. Повх, Г. И. Андреева, Г. А. Козлечкова, S. Ackerman, K. Strabala, J. R. Jensen, Z. Tan и др. Для нарушенных регулярным орошением земель, данных для разработки мероприятий по рекультивации почвенного плодородия, крайне недостаточно. В то же время, для рекультивации нарушенных орошаемых земель, крайне актуально использовать недорогие и эффективные материалы на основе местных сырьевых ресурсов.
Цель работы. Совершенствование способа рекультивациии нарушенных орошаемых земель за счёт использования композиции из влагосорбентов в границах выделенных территориальных единиц орошаемого агроландшафта юга Ростовской области.
Задачи исследований:
провести анализ литературных источников основных деградационных процессов на регулярно орошаемых землях юга Ростовской области и выделить основные мероприятия по рекультивации почвенного плодородия;
провести теоретические исследования территориальной дифференциации нарушенных земель и осуществить оценку в рамках исходных территориальных единиц с использованием системы дистанционного мониторинга;
по результатам мониторинга получить экспериментально-статистические модели прогноза по каждому из выделенных процессов деградации;
провести теоретическое и экспериментальное обоснование способа рекультивации деградированных орошаемых земель. Разработать оптимальный состав и дозы внесения композиции из влагосорбентов;
внедрить и провести экономическую эффективность усовершенствованного способа, дать рекомендации к практическому использованию в производстве.
Объект исследований – природно-техногенные системы юга Ростовской области.
Предмет исследований – инженерно-мелиоративные мероприятия, методы и способы, повышающие почвенное плодородие.
Научная новизна работы состоит в разработке способа рекультивации нарушенных орошаемых земель (патент РФ № 2430952 и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016618470), снижающего процессы деградации, за счёт использования предлагаемого состава и доз композиции из влагосорбентов в границах выделенных территориальных единиц орошаемого аг-роландшафта.
Теоретическая и практическая значимость работы. Проведено теоретическое обоснование для оценки территориальной дифференциации нарушенных земель в рамках выделенных территориальных единиц с использованием данных спутникового мониторинга сервиса «Вега-Science (композитные изображения Modis, мультиспектральные снимки Landsat и гиперспектральные снимки Huperion). Определены экспериментально-статистические зависимости основных показателей, влияющих на процессы ирригационной эрозии, дегумификации и ухудшение посевов сельскохозяйственных культур. Получены экспериментально-аналитические уравнения по подбору оптимального состава и доз внесе-
ния композиции из влагосорбентов. Проведена практическая апробация предлагаемого способа в производственных условиях и даны практические рекомендации производству по использованию способа рекультивации нарушенных орошаемых земель на участках с различной степенью деградации. Произведен расчёт экономического эффекта от внедрения предлагаемых мероприятий.
Методология и методы исследований. Исследования проводились с учётом научных и практических разработок российских и зарубежных учёных и основывались на экспериментальных и теоретических методах. Теоретические исследования проводились на основе общеизвестных методов планирования эксперимента, законов теории вероятности и математической статистики. Экспериментальные исследования были реализованы в соответствии с действующими нормативно-методическими требованиями, техническими регламентами и методиками полевых и производственных опытов. Дистанционные исследования проводились в системе мониторинга сельскохозяйственных земель агропромышленного комплекса России с помощью сервиса спутникового мониторинга «Вега» ИКИ РАН. Использование методов математической статистики и компьютерного моделирования изучаемых процессов и явлений обеспечило адекватную обработку полученных результатов и сопоставимость теоретических выводов с результатами экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
результаты оценки территориальной дифференциации нарушенных земель в рамках исходных территориальных единиц (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2016618470);
экспериментально-статистические модели прогноза процессов деградации (ирригационная эрозия, дегумификация, ухудшение состояния посевов сельскохозяйственных культур);
оптимальный состав и доза внесения композиции из влагосорбентов для участков с различной интенсивностью процессов деградации (патент РФ № 2430952);
результаты экспериментальных исследований по внедрению нового способа для рекультивации в составе комплекса мероприятий.
Степень достоверности и апробация результатов подтверждается достаточным объёмом результатов полевых, лабораторных и дистанционных исследований, применением стандартных методов математической и статистической обработки полученных результатов, высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами апробации в производственных условиях.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах: ФГБНУ «РосНИИПМ» (Новочеркасск, 2007–2010 гг.); ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Волгоград, 2009 г.); Мещерский филиал ГНУ «ВНИИГиМ» Россельхозакадемии (Рязань, 2008 г.), ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» (2009 г.), Институт аридных зон Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2016 г.), ФГБНУ ВНИИ «Радуга» (Коломна, 2016 г.).
Результаты исследований апробированы и внедрены в ОАО «Малоорловское» Мартыновского района Ростовской области и в учебный процесс Новочеркасского инженерно-мелиоративного института имени А. К. Кортунова (филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет»).
По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Получен патент на изобретение № 2430952, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016618470).
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, пяти глав основной части, заключения, списка литературы и приложения. Работа представлена на 187 страницах машинописного текста, содержит 30 таблиц и 56 иллюстраций, 8 приложений. В списке литературы 156 источников, из них 8 зарубежных авторов. Общий объём научных работ составляет 8,60 п.л., из них 7,83 п.л. принадлежит автору.
Обзор исследований в рамках дистанционного мониторинга по восстановлению почвенного плодородия
В результате регулярного орошения чернозёмных почв ухудшаются физические, воздушные, водные, тепловые и биологические свойства почвы, снижается её буферность и способность к самоочищению, падает экологическая емкость ландшафта [138].
Как отмечает ряд авторов [20–21, 96, 109, 117, 123, 132, 139], изучающих проблему изменения почвенного плодородия на регулярно орошаемых землях Ростовской области, наиболее подверженными ухудшению своих природных свойств оказались чернозёмные почвы, которые занимают 26,4 % территории области. Ими установлены факты негативных процессов изменения водно-физических и физико-химических свойств почвы. Исследованиями В. Н. Щедрина, С. М. Васильева, Н. С. Скуратова, В. И. Ольгаренко, Е. В. Полуэктова, Ю. П. Полякова, Л. М. Докучаевой и др. установлены факты процессов современной деградации чернозёмов: эрозия, гумусонакопление – дегумификация, уплотнение, ощелачивание, выщелачивание – карбонатизация, обеднение элементами питания, образование комплексного почвенного покрова.
Под влиянием орошения наименее устойчивыми, как считает ряд авторов [11, 22, 45, 125, 110–111], оказываются водно-физические и физические свойства чернозёмов. Существенно меняются физические свойства почв, на первых этапах – в верхней части почвенного профиля, а в последующем и в нижележащих слоях. Изменяются структура, аэрация, водопроницаемость, водные свойства и др.
Данные Б. А. Зимовец [55], убедительно свидетельствуют о том, что под влиянием орошения существенно изменяется структурное состояние чернозёмов, т. е. отмечается неудовлетворительное качество структуры с очень низкой водо-прочностью при различной агрегированности как в сухом, так и в увлажненном состоянии.
Орошение чернозёмов (подача дополнительного количества воды при существующих режимах орошения, относительно высоких поливных нормах, высокой интенсивности дождя, больших размерах капель) вызывает дальнейшее ухудшение структуры и тем самым развитие процессов ирригационной эрозии [21, 46, 75, 140].
По данным РосНИИПМ, при длительном орошении наблюдается процесс разрушения структуры почвы, который выражается в увеличении глыбистости. В посевах пропашных культур количество водопрочных агрегатов снижалось до 16,6 %; в чистом пару – на 9,6 %. Дегумификация, декальцификация и деструкту-ризация почвы приводят к конечном итоге к переуплотнению пахотного слоя почвы [13–14, 25–27, 132].
Деградация регулярно орошаемых земель сопровождается обеднением почв элементами минерального питания, процессами механического удаления почвенного материала, аккумуляцией избытка влаги в пределах почвенного профиля. Отмечается также обеднение орошаемых чернозёмных почв органическим веществом и ухудшение его качественного состава. Исследованиями в этом направлении занимались А. Я. Вигутова, Д. С. Орлов, В. В. Турулев, О. Ю. Шалашова, Л. М. Докучаева, Т. В. Попова, Б. Г. Розанов и др. Ряд авторов отмечает в своих работах [31, 48, 58, 108] более радикальные изменения чернозёма: дезагрегация почвенной массы, обесструктуривание верхней части профиля, образование глыбистой структуры, уплотнение до 1,3–1,4 г/см3, увеличение количества свободного ила. Потери гумуса при орошении в 0–20 см слое чернозёмов составляют 12 т/га, или 10 % от содержания его в неорошаемой почве.
Таким образом, проведённый анализ многочисленных исследований позволяют сделать вывод об изменении гумусного состояния почв при регулярном орошении (таблица 1.1).
Природно-сельскохозяйственные зоны Среднее содержание гумуса по годам, % 1976-1980 1981-1985 1986-1990 1991-1995 1996-2000 2001-2005 2006-2010 2011-2015 Центральная 3,30 3,25 3,25 2,97 2,95 2,96 3,03 2,92 Восточная 2,80 2,73 2,40 2,22 2,40 2,33 2,35 2,25 СевероВосточная 3,10 3,10 3,00 2,90 2,80 2,73 2,74 2,66 Северо-Западная 3,80 3,79 3,71 3,46 3,20 3,14 3,17 3,10 Южная 3,80 3,64 3,64 3,60 3,65 3,57 3,66 3,50 Приазовская 3,80 3,80 3,60 3,60 3,60 3,85 3,77 3,40 Как видно из таблицы 1.1 к 2015 г., снижение гумуса произошло от 3,8 до 2,25 % в результате регулярного орошения.
Анализ трудов многих исследователей показал, что регулярное орошение накладывает определенный отпечаток и на обеспеченность питательными элементами почв [7, 10, 77–78].
В исследованиях А. В. Шуравилина отмечено, что при орошении более 20 лет, количество лёгкогидролизуемого азота снизилось на 18 %, при орошении более 50 лет – на 50 % [143].
На рисунке 1.2 степень деградации земель показана цветовым фоном, отражающим долю деградированных земель от общей площади района.
Таким образом, нарушенные чернозёмные почвы Ростовской области – это результат длительного регулярного орошения прошлых лет. В результате этого, почвы подвергаются таким нарушениям, как ухудшение структурно-агрегатного состава (обесструктуривание), смыв верхнего плодородного слоя почвы (ирригационная эрозия), переуплотнение, уменьшение количества гумуса (дегумифика-ция) и основных питательных элементов и др. Сложившаяся ситуация требует срочных мер по обоснованию и разработке комплекса мероприятий по рекультивации почвенного плодородия на основе результатов мониторинга и прогноза наметившихся негативных или позитивных тенденций. 1.4 Анализ основных мероприятий по восстановлению деградированных орошаемых земель
Рекультивация земель – это комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель, а также на улучшение условий окружающей среды. Рекультивируемые земли и прилегающая к ним территория после завершения всего комплекса работ должны представлять собой оптимально организованный и экологически сбалансированный устойчивый ландшафт [39].
Система мероприятий представляет собой комплекс взаимоувязанных технических, организационных, технологических, хозяйственных и экологических мероприятий, направленных на эффективное использование земли и повышение плодородия почв. Указанные мероприятия должны иметь финансовое, материально-техническое, научное, информационное и кадровое обеспечение.
Одним из главных способов восстановления плодородия сельскохозяйственных земель и путей, направленных на восстановление основных агрофизических и агрохимических свойств почвы, является технический способ рекультивации [37].
На рекультивируемых участках обычно присутствуют одновременно 3–4 типа нарушенности и это обстоятельство необходимо учитывать при выборе способов выполнения почвовосстановительных работ.
Для определения тех или иных почвовосстановительных мероприятий является определение вида и интенсивности процессов деградации. На слабодеградированных территориях мероприятия, как правило, входят в комплекс агротехнических мелиораций. На средне- и сильнодеградированных территориях применяются почвовосстановительные мероприятия как на фоне других видов мелиораций, так и самостоятельно [36, 67].
Материалы и методы полевых и дистанционных исследований
Для мониторинга основных показателей почвенного плодородия использовали не только спутниковые данные, полученные с сервиса «ВЕГА», но и ряд другой сопутствующей информации: картографические материалы на бумажном носителе (агрохимические картограммы, почвенная карты хозяйства, схемы размещения полей в пределах хозяйства).
Методика тематической обработки космических изображений не являлась полностью автоматизированной и включала использование полевых и лабораторных опытов на отдельных этапах, а также визуальный анализ снимков с целью дальнейшего выделения объектов на основе наземной опорной информации. Процедуры полевой калибровки и наземной верификации результатов оценки основных показателей почвенного плодородия по материалам дистанционного зондирования проводились на 21 поле района исследований с использованием данных полевого обследования (почвенных разрезов и смешанных агрохимических образцов).
Анализы почвы по водно-физическим и агрохимическим свойствам выполнялись в эколого-аналитической лаборатории ФГБНУ «РосНИИПМ». Аттестат аккредитации № 0001.512581 представлен в приложении Б.
Полевые эксперименты проводились согласно принятым методикам [47]. Почвенные образцы отбирались согласно ГОСТ 17.4.3.01-83 [38], ГОСТ 28168-89 [43], ОСТ 56 81-84 [99].
Оценка степени деградации почвенного покрова осуществлялась в соответствии с «Методическими рекомендациями…» [82] и «Методическими указаниями…» [83–84]. При создании цифровых карт учитывались требования ГОСТ Р 52155-2003 [44].
В образцах почв, отобранных по всем полям района исследований, определялись: - общее содержание гумуса по И. В. Тюрину в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91) [41]; - содержание подвижных форм фосфора (P2O5) и калия (K2O) по методу Мачигина (ГОСТ 26205-91) [40]; - нитраты (ГОСТ 26951-86) [42]; - гранулометрический и микроагрегатный составы по Качинскому [62]; - водопрочность по Н. А. Саввинову [124]; - плотность сложения почвы – методом режущего кольца по Качинскому в трехкратной повторности [77]. В результате выбора, уточнения направления работ и проведения исследований проводился поиск необходимой информации в центральной научной сельскохозяйственной библиотеке (ЦНСХБ) и в справочно-информационной системе «Тех-эксперт». В ходе исследований строились экспериментально-статистические модели, привлекались методы математической статистики, элементы теории вероятности и надежности, системный анализ и статистическая обработка результатов опытов.
Обработка полученных результатов проводилась при помощи методов планирования эксперимента [54, 93]. При обработке и анализе экспериментального материала использовались стандартные пакеты лицензионных прикладных программ Statistica и MS Excel [16].
При расчёте экономической эффективности применялась «Методика ресурсно-экологической оценки…» [81]. При оценке экономической эффективности разработанного способа применялись положения «Методики…» [80]. Общая схема полевых и дистанционных исследований представлена на рисунке 2.9. Рабочая гипотеза заключается в том, что оценка территориальной дифференциации нарушенных земель в рамках исходных территориальных единиц, комплексное научное обоснование и разработка способа рекультивации нарушенных орошаемых земель в системе комплекса мероприятий, в рамках спутникового мониторинга юга Ростовской области, решаются вопросы системы государственного мониторинга сельскохозяйственных земель и восстановление почвенного плодородия орошаемого агроландшафта.
Блок-схема дистанционных исследований с использованием системы спутникового мониторинга представлена на рисунке 2.10. Блок-схема проведения исследований в рамках диссертационной работы представлена на рисунке 2.11.
Оценка интенсивности процессов деградации территориальной дифференциации нарушенных земель в рамках исходных территориальных единиц
Для правильного выбора как отдельного приема, так и комплекса мероприятий по восстановлению плодородия земель с неблагоприятной мелиоративной обстановкой необходимо иметь четкую и полную информацию о состоянии самого мелиорируемого объекта. Основными параметрами при выборе приемов воспроизводства плодородия орошаемых почв является дешифрирование почвенного покрова по материалам космической съёмки и калибровка, выявленных признаков, по данным полевых исследований [119].
На рисунке 3.1 представлены фрагменты космических снимков Landsat от 20 июля 2008 г., 23 июля 2010 г. и 15 июля 2013 г. ОАО «Малоорловское». RGB-композиция каналов соответствует 4-5-2.
По рисунку 3.1 можно отметить, что сеть оросительных каналов (а, г), лесополосы (б), дороги расчленяют район исследований на участки геометрической формы – квадраты, прямоугольники, трапеции. Пашня, отображающаяся на изображениях наиболее глубокими (тёмными) оттенками зеленого на снимке 2010 г., выглядит существенно светлее, чем на остальных. Связано это с увлажненностью пахотного горизонта, спектральная отражательная способность которого сильно изменяется в зависимости от уровня увлажнения. Таким образом, при использовании спектральных особенностей пахотного горизонта в качестве признаков изменения уровня плодородия исследования следует проводить в условиях сравнения основных показателей почвенного плодородия. Очевидно, что соблюсти это условие технологически невозможно, поэтому при использовании подобных критериев требуется калибровка данных дистанционного зондирования на определение основных показателей почвенного плодородия. На большинстве из участков полей, которые находятся в зоне регулярного
орошения, наблюдаются удлиненные линейные потоки (в). Данное обстоятельство можно рассматривать как вариант развития процессов ирригационного стока.
Многозональная спутниковая съёмка детального пространственного разрешения в видимом и инфракрасном диапазонах дает дополнительные возможности для индикации признаков плодородия, позволяя существенно расширить список объектов и явлений, выявленных на материалах среднего пространственного разрешения. Это становится возможным из-за вовлечения в анализ, помимо спектральных, признаков рисунка и текстуры благодаря существенно более высокому пространственному разрешению [60, 69].
На рисунке 3.2 представлены данные пространственного разрешения для отдельных орошаемых полей района исследований. В процессе визуального дешифрирования выделены следующие процессы деградации почвенного покрова: а) развитие процессов ирригационной эрозии; б) возможные признаки ирригационного стока со снижением гумусированности пахотных горизонтов.
Анализ признаков, характеризующих плодородие, по космическому снимку детального пространственного разрешения отдельных орошаемых полей Незначительное высветление оттенков зеленого, проявляющееся на полях №№ 3–5; 11; 15–17, может быть интерпретировано как снижение мощности гумусового горизонта в почве за счёт процессов ирригационного смыва.
При оценке процессов ирригационной эрозии по материалам дистанционного зондирования обязательным этапом являлись процедуры полевой калибровки и наземной верификации результатов. В нашем случае, они заключались в определении основных диагностических показателей почвенного плодородия за 2008–2013 гг. Протоколы результатов анализов основных диагностических показателей, на примере 2013 г., представлены в приложении В.
С целью оценки процессов ирригационной эрозии были определены следующие основные диагностические показатели: плотность сложения пахотного слоя почвы (т/м3); водопрочность (содержание водопрочных агрегатов 0,25 мм), %; структурность (содержание почвенных агрегатов 10–0,25 мм), %; водопроницаемость, мм/мин; подвижный фосфор, мг/кг почвы; обменный калий, мг/кг почвы [2, 28] (таблица 3.1).
На основании полученных количественных данных нами была разработана балльная оценка. Критерий деградации каждого показателя соответствует четырем видам почв: недеградированные (0 балла), слабодеградированные (1 балл), среднедеградированные (2 балла), сильнодеградированные (3 балла). Выделенные критерии деградации почв при орошении позволяют определить на начальном этапе деградационные процессы, которые приводят к снижению их плодородия и дальнейшему выбытию из сельскохозяйственного оборота [23, 85].
С учётом данных таблицы 3.1 и рисунка 3.2 составлена карта «Оценка интенсивности процессов ирригационной эрозии» (рисунок 3.3).
Анализ рисунка 3.3 показывает, что высокая интенсивность процессов ирригационной эрозии наблюдается на полях №№ 4–7 и 14–16. Это обстоятельство подтверждается и увеличением уклонов 0,003–0,007 указанных полей (рисунок 3.4).
Определение оптимальной дозы композиции из влагосорбентов для внесения в нарушенные орошаемые земли
Для последующего удобства подсчётов и приведения расчётных формул каждый столбец может быть представлен в виде новой кодированной переменной Z . Таким образом, оценка коэффициентов уравнения регрессии осуществляется по формуле: 1 /,,, — о. = — Z Y (3.30) N g=1 Далее для реализации выбранной матрицы планирования эксперимента коэффициенты уравнения регрессии рассчитываются следующим образом: 7 0,36 + 0,47 + 0,23 + 1,24 + 0,57 + 0,54 + 0,68 + 1,34 bn = = -0,02625; 8 После расчётов значений коэффициентов регрессии проверяется гипотеза о значимости коэффициентов Ъ . Проверка реализуется в виде так называемой нуль гипотезы, т. е. гипотезы о равенстве Ъ. = 0.
Проверка гипотезы осуществляется с применением /-критерия Стьюдента, представленный формулой: \Ь\ \Ь\ і tt =— = Y= л/N-m, (3.31) г где s (Ь.) - дисперсия ошибки при определении коэффициента Ъ . Если при полном и дробном факторном планировании получаем:
В случае если полученная величина параметра tx превышает табличное значение t , найденное для а уровня значимости а и v„=N(m-l) числа степеней свободы, то нуль-гипотеза должна быть отклонена. При этом коэффициент считают незначительным и отбрасывают. Значение величины критерия Стьюдента определяем по табличным данным t (0,05;v, = 40) = 2,0211.
На основании сравнения полученных результатов с нормативными значениями коэффициент Ъп считаем незначительным и отбрасываем, а остальные ко эффициенты признаются значимыми и используются в ходе формирования математической модели проводимых опытов. Уравнение регрессии в кодированном виде примет вид: Y=0,69+0, Ц +0,19х2 +0,22х3 +0,03х1х2 -0,06x 3 +0,2х2х3. Далее проверка гипотезы об адекватности полученной модели проводится с применением F -критерия Фишера. Применение критерия Фишера дает возможность проверить нуль-гипотезу о равенстве двух генеральных дисперсий т2Л и 72(Y). F-критерий определяется следующим образом: S2 F= ад F (q;vad;v3). (3.33) S (Y) Таким образом, если полученная величина критерия F меньше табличного F , найденного для уровня значимости а, v = v = v. = N-d числа степеней кр 1 числ ад 4 свободы числителя и v3H=v3=N(m-l) числа степеней свободы знаменателя, то нуль-гипотеза принимается. В обратном случае нуль-гипотеза отвергается и полученная модель признается неадекватной.
При ходе определения дисперсии адекватности в первую очередь следует определить числовые значения показателей модели Y для каждой g-ой строки матрицы планирования. Потом определяется сумма квадратов разностей между модельным значением и средним арифметическим Y по вышеприведенным фор мулам: 2 6-0,0069 „ 0,0207 т S = = 0,0207, b = = 2,06175299 b = 2,34.
Полученные результаты расчётов позволяют утверждать, что математическая модель эксперимента адекватно описывает исследуемый процесс.
Основываясь на зависимостях перевода значений из относительных координат в характеристики диагностических показателей, влияющих на процесс ирригационного стока экспериментально-статистическую модель следует записать в форме следующего выражения:
Таким образом, определяя водопроницаемость, можно спрогнозировать интенсивность процессов ирригационной эрозии. Модель прогноза процесса ирригационного смыва можно представить в виде поверхности отклика подставляя известные значения факторов (рисунок 3.23).
Аналогично проведем вычисления для процесса дегумификации. Для процесса дегумификации по формуле (3.27) находим расчётное значение коэффициента: „ 0,0063924 п sn \ G= =0,3400936369 Сг (0,95;5;4J=0,5895. 0,018796 Рисунок 3.23 - Графоаналитическая зависимость прогноза процессов ирригационного стока По (3.30) вычисляем коэффициенты уравнения регрессии: 7 3,15 + 1,9 + 1,86 + 2 7 -3,15-1,9 + 1,86 + 2 Ьп = = 2,2275; о, = = -0,2975; 4 7 -3,15 + 1,9-1,86 + 2 7 3,15-1,9-1,86 + 2 4 По (3.31) осуществляем проверку гипотезы: о„ = = -0,2775; &. = = 0,3475; з п,., . S IF} 0,004699 L,,, , Ь 10.} = ——L = = 0,0001957917; J.S \b\ = 0,0139925575 . І2,2275І Тогда t = TV -/и 4-6 = 159,1917698207; 0,0139925575 -0,2975І f zz 1 = 21,2613025911; 0,0139925575 І0,3475І = 24,8346307577 -0,2775І f zz = 19,8319713245; ґ, = З 0,0139925575 0,0139925575 Уравнение регрессии в кодированном виде: 7=2,23-0,3 -0,28х2 +0,35х1х2. Вычисляем Sа2д : с2 ад 3-0,0001 „ 0,0003 = 0,0003, b = =0,0638433709 b =2,6. 4-3 0,004699 Полученные результаты расчётов позволяют утверждать, что математическая модель эксперимента адекватно описывает исследуемый процесс. Основываясь на зависимостях перевода значений из относительных координат в диагностические показатели процесса дегумификации экспериментально-статистическую модель следует записать в форме следующего выражения: /"=12,94-0,057- Вод-\,9-В+0,045-Вод-В, (3.35) где Г - гумус, %; Вод - водопрочность почвенных агрегатов, % В - водопроницаемость, мм/мин.