Статья: Анализ системы осадки – почва – дренаж в условиях изменения климата на Северо-Западе России

Принято полагать, что если величина Кн менее 5, то почвенный горизонт сортирован по гранулометрическому составу. Для оценки статистической значимости произошедших изменений использовали статистический критерий Манна - Уитни. Результаты статистической оценки изменения гранулометрического состава почв с 1976 по 2014 г. представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Статистическая значимость изменения величины коэффициентов неоднородности за период 1976-2014 гг.

Для обобщенных выводов использованы экспериментальные данные натурного однородного аналога - многолетние исследования длительного осушения закрытым дренажом дерново-подзолистых легкосуглинистых почв (Stagnic Retisols) [23]. Наблюдения выполнялись в двух контролируемых сроках осушения: 5-8 и 22-25 лет. В течение первого срока водопроницаемость с поверхности почвы составляла в среднем 0,42 м/сут, а на глубине 30 см к концу срока снизилась в 2,3 раза до 0,18 м/сут. Во второй срок действия дренажа водопроницаемость почв снизилась до 15-20 %. В течение 6-летнего периода осушения в слое 20-60 см пористость увеличилась на 3-8 %, коэффициент фильтрации на 40-60 %, структурность на 25-42 %, аэрация на 40-50 % по сравнению с контролем. При увеличении продолжительности дренажа отмечена тенденция уплотнения почвы с 1,46 до 1,50 г/cм3, роста твердости с 1,3 до 1,39 МПа.

Результаты этого исследования позволяют предположить, что сельскохозяйственное использование почвы в течение 38 лет привело к деградации почвы из-за сочетания климатических и антропогенных факторов. Происходящие в совокупности процессы влияют на пространственную и профильную изменчивость содержания частиц, гранулометрический состав почв стал более легким (песчаным). Плотность сложения, общая пористость аэрации тесно коррелируют со степенью осушения, характером гидроморфизма. В хорошо дренированных почвах автоморфного генезиса статистически значимые изменения гранулометрического состава начинаются глубже по профилю, а в почвах полугидроморфного генезиса ближе к дневной поверхности. Такая ситуация позволяет сделать вывод о выносе водой тонких фракций почвы преимущественно боковым стоком по водоупорным слоям.

Обследования дренажных систем показывают, что периодическое увеличение интенсивности осадков приводит к достоверной потере почвами тонких фракций. На минеральных дерново-подзолистых почвах (Retisols (halpic; stagnic)) при продолжительности осушения закрытым дренажом более 5-13 лет содержание агрегатов крупнее 0,25 мм в слое
0-60 см снижается до 74,8-77,9 %, при эксплуатации дренажа в течение 22-25 лет уменьшается до 72 %, впитывающая способность почвы снижается на 15-22 % [4]. Фракция пыли перемещается на 30-50 см ниже по профилю. В зоне дренажа практически полностью исчезают характерные признаки гидроморфизма почв. Осушение усиливает перераспределение фракций мелкой пыли и ила по профилю почвенных горизонтов дерново-подзолистых суглинистых почв, оно прослеживается до глубины заложения дрен. Тонкие фракции (осредненный диаметр 0,032 мм) перемещаются ниже по профилю почв и осаждаются в дренажных системах, развивается их заиливание. При длительной эксплуатации более 50 % поперечного сечения дрены заиливается при мощности наилка 26-32 мм (плотность наилка 1,920 т/м3), что приводит к существенному уменьшению эффективности закрытой дренажной системы, иногда к выходу ее из работоспособного состояния. Восстановление эффективности водоприемности таких осушительных систем осуществляется применением различного типа гидромеханизированных технологий промывки и очистки дренажной сети [24].

Выводы

Результаты выполненного исследования объясняют причины наблюдаемого в последние годы периодического переувлажнения мелиорированных закрытым трубчатым дренажом сельскохозяйственных земель Северо-Западного региона Нечерноземной зоны России. Климатическая норма осадков за период 1981-2010 гг. в некоторых случаях увеличилась более чем на 20 % от нормы периода 1961-1990 гг. Абсолютный максимум осадков пришелся на период 1981-2016 гг., он составил 396-457 мм и соответствовал летнему индексу Восточно-Атлантического колебания на уровне 0,77-1,44. При длительной эксплуатации мелиорированных земель более 25 лет тонкие фракции почвы осредненным диаметром менее 0,032 мм переместились ниже по почвенному профилю, в результате произошло заиление более 50 % сечения дрены наилком плотностью не менее 1,900 т/м3, полностью исчезли характерные признаки гидроморфизма.

Рекомендуется при плановых ремонтах и реконструкциях таких мелиоративных осушительных систем принимать в расчет тенденции изменения пространственно-временной структуры атмосферного увлажнения, трансформацию морфологического строения, физических и гидрофизических свойств дерново-подзолистых почв и предусматривать создание гидрофизических технологий регулирования, перехвата и отвода поверхностных стоков. Технологии возделывания полевых культур на таких мелиорированных землях должны содержать соответствующие гидротехнические осушительные и почвозащитные противоэрозионные мероприятия.

Список использованных источников

1 Доклад о климатических рисках на территории Российской Федерации / Е. М. Акентьева [и др.]; под ред. В. М. Катцова. - СПб., 2017. - 106 с.

2 Касимов, Н. С. Эколого-географические последствия глобального потепления климата ХХI века на Восточно-Европейской равнине и в Западной Сибири / Н. С. Касимов, А. В. Кислов. - М.: Макс-Пресс, 2011. - 493 с.

3 Ritzema, H. P. Land drainage strategies to cope with climate change in the Netherlands / H. P. Ritzema, L. C. P. M. Stuyt // Acta Agriculturae Scandinavica, Section B - Soil & Plant Science. - 2015. - Vol. 65. - P. 80-92.

4 Future impacts of land use and climate change on extreme runoff values in selected catchments of Slovakia / S. Kohnovб, P. Ronибk, K. Hlavиovб, J. Szolgay, A. Rutkowska // Meteorology, Hydrology and Water Management. - 2019. - № 7(1). - P. 47-55.

5 On the linkage between runoff generation, land drainage, soil properties, and temporal patterns of precipitation in agricultural floodplains / G. Sofia, F. Ragazzi, P. Giandon, G. Dalla Fontana, P. Tarolli // Advances in Water Resources. - 2019. - Vol. 124. - P. 120-138.

6 Пятый оценочный доклад / МГЭИК. - 2013.

7 Менжулин, Г. В. Анализ достоверности и точности современных модельных сценариев изменений глобального климата, рекомендованных в 4-м отчете МГЭИК / Г. В. Менжулин // Методы оценки сельскохозяйственных рисков и технологий смягчения последствий изменения климата в земледелии: материалы всерос. науч. конф. - СПб., 2011. - С. 43-44.

8 Uskov, I. B. Modification of the ensemble method for generalising IPCC forecasts to bring them into probabilistic representation / I. B. Uskov, A. O. Uskov // International Journal of Applied Exercise Physiology. - 2020. - Vol. 9, № 4. - P. 174-185.

9 Николаев, М. В. Оценка изменяющегося вклада обильных осадков в рискованность земледелия в Нечерноземье европейской России / М. В. Николаев // Известия Русского географического общества. - 2018. - Т. 150, № 6. - С. 1-14.

10 Янко, Ю. Г. О некоторых причинах переувлажнения и повторного заболачивания сельскохозяйственных земель в Ленинградской области / Ю. Г. Янко, А. В. Петрушин // Мелиорация и водное хозяйство. - 2018. - № 4. - С. 36-38.

11 Гулюк, Г. Г. Агромелиоративные мероприятия при длительной эксплуатации дренажа и экологической реабилитации техногенно загрязненных земель гумидной зоны / Г. Г. Гулюк. - М.: Изд-во МГУ, 2004. - 232 с.

12 Усков, И. Б. Применение математики нечетких множеств к проблеме управления агроклиматическими рисками / И. Б. Усков, А. О. Усков // Агрофизика. - 2015. - № 1. - С. 18-25.

13 Усков, И. Б. Основы адаптации земледелия к изменениям климата: справ. изд. / И. Б. Усков, А. О. Усков. - СПб., 2014. - 383 с.

14 Гухман, А. А. Введение в теорию подобия / А. А. Гухман. - М.: Высш. шк., 1973. - 296 с.

15 ВМО № 49. Технический регламент. Т. 1. Общие метеорологические стандарты и рекомендуемые практики. - 2015. - 38 с.

16 Полонский, А. Б. Циркуляционные индексы и температурный режим Восточной Европы в зимний период / А. Б. Полонский, И. А. Кибальчич // Метеорология и гидрология. - 2015. - № 1. - С. 5-17.

17 Муравьев, А. В. Распределение экстремальных характеристик атмосферной циркуляции по данным реанализа и гидродинамического моделирования / А. В. Муравьев, И. А. Куликова, Е. Н. Круглова // Метеорология и гидрология. - 2009. - № 7. - С. 33-47.

18 Nearing, M. A. Expected climate change impacts on soil erosion rates: A review / M. A. Nearing, F. F. Pruski, M. R. O'Neal // Journal of Soil and Water Conservation. - 2004, Jan. - № 59(1). - P. 43-50.

19 Bucur, D. Effects of long-term soil and crop management on the yield and on the fertility of eroded soil / D. Bucur, G. Jitareanu, C. Ailincai // Journal of Food, Agriculture & Environment. - 2011. - № 9(2). - P. 207-209.

20 Зайдельман, Ф. Р. Мелиорация почв / Ф. Р. Зайдельман. - 3-е изд. - М.: МГУ, 2003. - 448 с.

21 Корректировочные работы по крупномасштабному почвенному картографированию Меньковского филиала Агрофизического института Россельхозакадемии / К. Г. Моисеев, Е. Я. Рижия, Л. В. Бойцова, Е. Г. Зинчук, В. Д. Гончаров // Агрофизика. - 2013. - № 1. - С. 30-36.

22 Моисеев, К. Г. Крупномасштабная почвенная карта Меньковского филиала Агрофизического института Россельхозакадемии / К. Г. Моисеев, Е. Г. Зинчук // Агрофизика. - 2014. - № 3. - С. 8-17.

23 Полуэктова, Е. А. Агроэкологическая оценка устойчивости почв гумидной зоны к длительному осушению: автореф. дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.03 / Полуэктова Елена Александровна. - Киров, 2009. - 16 с.

24 Михеев, А. В. Гидромеханизированная технология очистки трубчатой дренажной сети / А. В. Михеев // Вестник Донского государственного технического университета. - 2010. - Т. 10, № 5(48). - С. 653-660.

References

1 Akentiev E.M. [et al.], 2017. Doklad o klimaticheskikh riskakh na territorii Rossiyskoy Federatsii [Report on Climate Risks in the Territory of the Russian Federation]. Saint Petersburg, 106 p. (In Russian).

2 Kasimov N.S., Kislov A.V., 2011. Ekologo-geograficheskie posledstviya global'nogo potepleniya klimata XXI veka na Vostochno-Evropeyskoy ravnine i v Zapadnoy Sibiri [Ecological and Geographical Consequences of Global Warming of Climate of the XXI century on the East European Plain and in Western Siberia]. Moscow, Max-Press Publ., 493 p. (In Russian).

3 Ritzema H.P., Stuyt L.C.P.M., 2015. Land drainage strategies to cope with climate change in the Netherlands. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B - Soil & Plant Science, vol. 65, pp. 80-92,

4 Kohnovб S., Ronибk P., Hlavиovб K., Szolgay J., Rutkowska A., 2019. Future impacts of land use and climate change on extreme runoff values in selected catchments of Slovakia. Meteorology, Hydrology and Water Management, no. 7(1), pp. 47-55, DOI: 10.26491/mhwm/97254.

5 Sofia G., Ragazzi F., Giandon P., Dalla Fontana G., Tarolli P., 2019. On the linkage between runoff generation, land drainage, soil properties, and temporal patterns of precipitation in agricultural floodplains. Advances in Water Resources, vol. 124, pp. 120-138, DOI: 10.1016/j.advwatres.2018.12.003.

6 Pyatyy otsenochnyy doklad [Fifth Assessment Report] IPCC. 2013

7 Menzhulin G.V., 2011. Analiz dostovernosti i tochnosti sovremennykh model'nykh stsenariev izmeneniy global'nogo klimata, rekomendovannykh v 4-m otchete MGEIK [Analysis of the reliability and accuracy of modern model scenarios of global climate change recommended in the 4th IPCC report]. Metody otsenki sel'skokhozyaystvennykh riskov i tekhnologiy smyagcheniya posledstviy izmeneniya klimata v zemledelii: materialy vserossiyskoy nauchnoy konferentsii [Methods for Assessing Agricultural Risks and Technologies to Mitigate the Effects of Climate Change in Agriculture: Proc. Scientific Conf.]. Saint Petersburg, pp. 43-44. (In Russian).

8 Uskov I.B., Uskov A.O., 2020. Modification of the ensemble method for generalizing IPCC forecasts to bring them into probabilistic representation. International Journal of Applied Exercise Physiology, vol. 9, no. 4, pp. 174-185.

9 Nikolaev M.V., 2018. Otsenka izmenyayushchegosya vklada obil'nykh osadkov v riskovannost' zemledeliya v Nechernozem'e evropeyskoy Rossii [Assessing the changing contribution of abundant precipitation to farming risks in the non-chernozem zone of European Russia]. Izvestiya Russkogo geograficheskogo obshchestva [Bull. of the Russian Geographical Society], vol. 150, no. 6, pp. 1-14

10 Yanko Yu.G., Petrushin A.V., 2018. O nekotorykh prichinakh pereuvlazhneniya i povtornogo zabolachivaniya sel'skokhozyaystvennykh zemel' v Leningradskoy oblasti [On some causes of waterlogging and re-waterlogging of agricultural lands in Leningrad region]. Melioratsiya i vodnoe khozyaystvo [Irrigation and Water Management], no. 4, pp. 36-38. (In Russian).

11 Gulyuk G.G., 2004. Agromeliorativnye meropriyatiya pri dlitel'noy ekspluatatsii drenazha i ekologicheskoy reabilitatsii tekhnogenno zagryaznennykh zemel' gumidnoy zony [Agroreclamation measures during long-term operation of drainage and ecological rehabilitation of anthropogenic contaminated lands in the humid zone]. Moscow, Moscow State University Publ., 232 p. (In Russian).

12 Uskov I.B., Uskov A.O., 2015. Primenenie matematiki nechetkikh mnozhestv k probleme upravleniya agroklimaticheskimi riskami [Application of mathematics of fuzzy sets to the problem of agro-climatic risk management]. Agrofizika [Agricultural Physics], no. 1, pp. 18-25. (In Russian).

13 Uskov I.B., Uskov A.O., 2014. Osnovy adaptatsii zemledeliya k izmeneniyam klimata: sprav. izd. [Fundamentals of adaptation of agriculture to climate change: ref. ed.]. Saint Petersburg, 383 p. (In Russian).

14 Gukhman A.A., 1973. Vvedenie v teoriyu podobiya [Introduction to the Theory of Similarity]. Moscow, Higher School Publ., 296 p. (In Russian).

15 Tekhnicheskiy reglament. T. 1. Obshchie meteorologicheskie standarty i rekomenduemye praktiki [Technical Regulations, vol. 1. General Meteorological Standards and Recommended Practices]. WMO, no. 49, 2015, 38 p. (In Russian).

16 Polonsky A.B., Kibalchich I.A., 2015. Tsirkulyatsionnye indeksy i temperaturnyy rezhim Vostochnoy Evropy v zimniy period [Circulation indices and temperature regime of Eastern Europe in winter]. Meteorologiya i gidrologiya [Meteorology and Hydrology], no. 1, pp. 5-17. (In Russian).

17 Murav'yov A.V., Kulikova I.A., Kruglova E.N., 2009. Raspredelenie ekstremal'nykh kharakteristik atmosfernoy tsirkulyatsii po dannym reanaliza i gidrodinamicheskogo modelirovaniya [Distribution of extreme characteristics of atmospheric circulation according to reanalysis and hydrodynamic modeling data]. Meteorologiya i gidrologiya [Meteorology and Hydrology], no. 7, pp. 33-47. (In Russian).

18 Nearing M.A., Pruski F.F., O'Neal M.R., 2004. Expected climate change impacts on soil erosion rates: A review. Journal of Soil and Water Conservation, Jan., no. 59(1), pp. 43-50.

19 Bucur D., Jitareanu G., Ailincai C., 2011. Effects of long-term soil and crop management on the yield and on the fertility of eroded soil. Journal of Food, Agriculture & Environment, no. 9(2), pp. 207-209.

20 Zaidelman F.R., 2003. Melioratsiya pochv [Soil Reclamation]. 3rd ed., Moscow, MGU Publ., 448 p. (In Russian).

21 Moiseev K.G., Rizhia E.Ya., Boytsova L.V., Zinchuk E.G., Goncharov V.D., 2013. Korrektirovochnye raboty po krupnomasshtabnomu pochvennomu kartografirovaniyu Men'kovskogo filiala Agrofizicheskogo instituta Rossel'khozakademii [Corrections of large-scale soil mapping of Menkovo branch of Agrophysical Research Institute of the Russian Agricultural Academy]. Agrofizika [Agricultural Physics], no. 1, pp. 30-36. (In Russian).

22 Moiseev K.G., Zinchuk E.G., 2014. Krupnomasshtabnaya pochvennaya karta Men'kovskogo filiala Agrofizicheskogo instituta Rossel'khozakademii [Large-scale soil map of Menkovo branch of the Agrophysical Institute of the Russian Agricultural Academy]. Agrofizika [Agricultural Physics], no. 3, pp. 8-17. (In Russian). климатический дренаж мелиорированный атмосферный

23 Poluektova E.A., 2009. Agroekologicheskaya otsenka ustoychivosti pochv gumidnoy zony k dlitel'nomu osusheniyu. Avtoreferat diss. kand. s.-kh. nauk [Agroecological assessment of soil resistance in the humid zone to prolonged drainage. Abstract of cand. agri. sci. diss.]. Kirov, 16 p. (In Russian).