Статья: Оценки биологического и геологического круговоротов воды и химических веществ в мелиорации сельскохозяйственных земель

Оценки биологического и геологического круговоротов воды и химических веществ в мелиорации сельскохозяйственных земель

Канд.техн.наук А.Д.Рябцев

На основе системного и структурного анализа деятельности существующих систем мелиорации сельскохозяйственных земель определены интенсивность биологического и геологического круговорота воды и химических веществ, и их влияния на почвенно-мелиоративный режим агроландшафтов.

Мелиорация сельскохозяйственных земель во всех водохозяйственных бассейнах Казахстана связанная с распашкой угодий резко снижала экологическую устойчивость техноприродных систем, что связано, с одной стороны, с уменьшением биологического разнообразия, общих запасов биомассы и химических элементов на пашне (вследствие отчуждения большой части биомассы с урожаем, уничтожения опада в виде степного войлока), с другой - с тем, что культурные растения не обладают достаточной устойчивостью к внешним фактором. А также распашка резко снижает альбедо, что сопровождается увеличением радиационного баланса, количества фотосинтетически активной радиации ФАР и «индекса сухости» М.И.Будыко -. Эти изменения различны в зависимости от типа почв и растительного покрова: сумма активных температур возрастает на 9-15 %, ФАР - на 5-11 %, индекс сухости - на 6-15 % /1; 2; 3/.

Вмешательство человека в естественные природные процессы для коррек-тировки их режима в соответствие с потребностью или режимом возделывания сельскохозяйственных культур всегда нарушают исторически сложившиеся взаимо-отношения в природной среде.

Экологические последствия мелиорации сельскохозяйственных земель в Казахстане не одинаковы для различных почвенно-климатических зон. В лесостепной зоне увеличение радиационного баланса приводит к росту теплообеспеченности и продуктивности и поэтому распашку следует рассматривать как один из видов тепловых мелиораций, обеспечивающих рост биоклиматического потенциала и продуктивности сельскохозяйственных растений. В степной, сухостепной и полупустынной зонах распашка и увеличение радиационного баланса сопряжены с усилением засушливости территории и некоторым снижением продуктивности. Здесь для полного использования биоклиматического потенциала требуется искусственное увлажнение почв с целью компенсации нарушенного распашкой гидротермического режима.

Анализ изменения градиентов температуры и влажности в двухметровом при-земном слое воздуха показывает, что наряду с увеличением суммарного испарения в результате распашки значительно возрастает теплообмен между почвой и атмосферой, что дает основание говорить о возрастании роли внутреннего влагооборота в формировании атмосферного увлажнения.

Орошение земель приводит не только к увеличению влажности почв и приземного слоя воздуха, но и к дальнейшему повышению радиационного баланса за счет снижения альбедо. Таким образом, орошение земель позволяет регулировать гидротермический режим и тем самым в известной мере компенсировать изменение теплового баланса территории.

При рассмотрении изменений водного баланса при распашке земель очень важно оценить основные элементы, которые определяют направленность и интенсивность природных процессов. К их числу относится суммарное испарение, характеризующее биологическую продуктивность, эффективность биологического круговорота и внутреннего влагооборота; поверхностный сток, зависящий от сельскохозяйственного использования земель и влияющий не только на режим и качество поверхностных вод, но и на развитие водной эрозии почв, и вертикальный влагообмен между почвенными и грунтовыми водами, который непосредственно влияет на почвообразовательный процесс, биологический и геологический круговороты влаги и химических элементов. Для оценки всех этих элементов наиболее целесообразно рассматривать совместный баланс поверхностных и почвенных вод, применяя методы математического моделирования влагопереноса /2; 4; 5; 6;/.

Результаты расчетов среднемноголетнего баланса поверхностных и почвенных вод по водохозяйственным бассейнам Казахстана, показывают, что распашка земель изменяет соотношение элементов баланса поверхностных и почвенных вод: в автоморфных условиях при распашке возрастает не только испарение, но и довольно существенно поверхностный сток (таблица 1).

Таблица 1

Баланс поверхностных и почвенных вод по водохозяйственным бассейнам Казахстана

Это свидетельствует об усилении биологического и геологического круговоротов воды и химических элементов. Причем увеличение испарения и поверхностного стока происходит за счет уменьшения интенсивности влагообмена между поверхностными и грунтовыми водами. Последствия таких изменений весьма разнообразны. С одной стороны, в соответствии с изменением теплообеспеченности увеличивается продуктивность почвы в лесостепной зоне и уменьшается в засушливой, с другой - существенно возрастает поверхностный сток, что способствует ухудшению качества речных вод в связи с увеличением числа рассредоточенных источников загрязнения.

Снижение интенсивности влагообмена между почвенными и грунтовым водами, во-первых, уменьшает поступление химических элементов из биологического в геологический круговот, во-вторых, может способствовать развитию процессов засоления и осолонцевания почв в засушливой зоне при гидроморфных и полугидроморфных условиях и высокой степени минерализации грунтовых вод.

При орошении земель в балансе поверхностных и почвенных вод возрастает роль поверхностного стока и влагообмена между почвенными и грунтовыми водами и соответственно снижается испарение (таблица 1).

Основоположник мелиоративной науки А.Н.Костяков отмечал, что основная задача мелиорации земель - управление биологическим и геологическим круговоротами воды и химических вещества. Отмечалось, что вода и химические элементы в природе находятся в постоянном круговороте, причем направленность этих кругово-ротов совпадает. Причина совпадения направлений круговоротов воды и химических элементов заключается в том, что большую часть своего пути последние проходят в виде растворов. При этом, различие в скорости круговоротов объясняется вовле-чением химических элементов в биологические циклы. А.Н.Костяков обращал внимание на необходимость усиления биологического и всеми мерами замедления геологического круговоротов воды и питательных веществ в целях прогрессирующего повышения плодородия и продуктивности почвы, чтобы не допустить снижения экологической устойчивости и экономической стабильности агроландшафтов, а также окружающей среды. При этом комплекс мелиоративных приемов и приемов замедления, то есть режима орошения сельскохозяйственных культур и техники полива, рассматривалось как неразрывное единое целое, в виде технологии орошения.

Для оценки интенсивности и направленности биологического и геологического круговоротов воды и химических веществ в условиях антропогенной деятельности, то есть при мелиорации сельскохозяйственных земель, можно использовать следую-щие интегральные критерии /7; 8/:

- параметр роста биологического кругооборота - , где - относительная продуктивность естественных растений, то есть , здесь - продуктивность естественных растений немелиорированных земель, соответст-вующих влаго и теплообеспеченности географических зон и ландшафтов, ц/га; - потенциальная продуктивность растений или сельскохозяйственных культур соответствующих энергетическим ресурсам географических зон или ландшафтов, ц/га; , здесь - урожайность сельскохозяйственных культур на мелиорируемых землях, ц/га;

- параметры роста интенсивности геологического кругооборота воды определяется по зависимости: /, где и - поверхност-ный сток и влагообмен между почвенными и грунтовыми водами на немелиори-рованных и мелиорируемых землях, м3/га;

- параметры роста интенсивности геологического кругооборота химических веществ расчитаны по формуле :

мелиорация земля круговорот агроландшафт

,

где - минерализация оросительных вод, г/л; - концентрация почвенного раствора, г/л; - предельнодопустимая концентрация почвенного раствора, неоказывающая влияния на рост и развитие сельскохозяйственных культур.

При этом снижение количественных значений гидротермического режима естественных ландшафтов за счет орошения или путем трансформации агроландшафтов, то есть доведения «индекса сухости» - до 1,0 применением орошения - (где - «индекс сухости»; - радиационный баланс, определяющий приток солнечной энергии и количество фотосинтетически активной радиации, кДж/см2 за год; - скрытая теплота парообразования, кДж/см2 за год; - атмосферные осадки, мм; - количество влаги, полученное за счет применения гидротехнических мелиораций, мм; - влагообмен между почвенными и грунтовыми водами (мм), благоприятно оказывают влияние на почвообразо-вательный процесс в условиях близких залеганий пресных грунтовых вод, а в условиях орошения, когда интенсивность инфильтрационных вод увеличивается, как в настоящее время происходит в зоне орошения во многих регионах, нарушается эволюция почвообразовательного процесса, то есть как в гумидных зонах в аридных зонах формируются болота или происходит болото-образовательный процесс, что не допустимо с точки зрения регулирования и управления геологическим круговоротом воды и химических веществ.

Результаты прогнозных расчетов биологического и геологического круговоротов воды и химических веществ на основе среднемноголетнего водного и теплового балансов по водохозяйственным бассейнам Казахстана показывают, что при орошении не только повышается интенсивность биологического круговорота, но и геологического круговорота воды и химических веществ, что нарушает основной принцип мелиорации сельскохозяйственных земель (таблица 2-4).

Таблица 2

Оценка биологического круговорота орошаемых агроландшафтов

по водохозяйственным бассейнам Казахстана