способ тепловой мелиорации земель в зоне многолетней мерзлоты

Формула изобретения

СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ МЕЛИОРАЦИИ ЗЕМЕЛЬ В ЗОНЕ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ, включающий протаивание вечномерзлых грунтов на пересеченной местности, отличающийся тем, что весной после оттайки почвы на 20 - 30 см поверхность, покрытую мохово-кочкарным слоем и имеющую уклон не менее 0,04 - 0,06 неоднократно боронуют поперек склона в частности дисковыми боронами для перемешивания с нижележащим минеральным грунтом и образованием слоя с однородной комковатой структурой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к мелиорации земель сельскохозяйственного освоения территории в зоне многолетней мерзлоты.

Известен способ освоения тундровых земель путем осушения термокарстовых озер и использования их днищ в качестве луговых угодий.

Недостатком способа является деградация луговых котловин и выпадение их из хозяйственного использования через 5-7 лет из-за выхолаживания днища котловин, нарушается экологическая обстановка на больших площадях, происходит термоэрозия, заболачивание тундры, сокращение площадей оленьих пастбищ за счет уничтожения мохового покрова и ягельника.

Известны способы освоения земель в зоне многолетней мерзлоты, в основе которых заложен принцип осушения земель с различными техническими и технологическими приемами: с запиранием осушительных каналов на летний период, с внесением минерального грунта на поверхность осушаемой территории, с приемами планировки поверхности для ускорения отвода грунтовых вод, с вытаиванием мерзлого грунта до минимально необходимого значения.

Недостатком этих способов является невозможность использования их при освоении пологих тундровых склонов.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ тепловой мелиорации земель в зоне вечной мерзлоты для освоения тундровых склоновых участков с целью сельскохозяйственного использования земель на пересеченной местности, заключающийся в том, что поперек склона отсыпают слой дренирующего материала, а выше по склону рядом с ним выполняют площадку, заглубленную ниже дневной поверхности на величину растительного слоя.

Первым недостатком данного способа является низкий коэффициент использования территории, так как площадь искусственной террасы на склоне, отсыпанной из дренирующего материала и почвенного слоя, примерно равна площади искусственной выемки, и коэффициент освоения территории склона равен примерно 0,5.

Вторым недостатком является невозможность использования сельскохозяйственных механизмов и техники для посева-уборки сельхозкультур ввиду разрушения искусственной выемки с водой и террасы с насыпным грунтом.

Третьим недостатком является трудоемкость и большие капитальные затраты на возведение террас, сложенных у основания из привозного дренирующего материала, а сверху из почвенного грунта, взятого из выемки на склоне.

Наиболее существенным недостатком способа является недолговечность искусственной выемки в вечномерзлых грунтах, которая заполняется водой от таяния снега или от выпадения осадков. Снятие почвенного тундрового покрова является искусственным термокарстом, ведущим к термоэрозии, образованию оврага и разрушению склона (максимум два года).

Заявляемое техническое решение направлено на повышение эффективности и долговечности сельскохозяйственного использования земель в зоне многолетней мерзлоты и сохранение экологического равновесия.

Поставленная задача достигается тем, что согласно способу тепловой мелиорации земель в зоне многолетней мерзлоты весной после оттайки почвы на 20-30 см поверхность, покрытую мохово-кочкарным слоем и имеющую уклон не менее 0,04-0,06, неоднократно боронуют поперек склона, например, дисковыми боронами до перемешивания с нижележащим минеральным грунтом и образования слоя с однородной комковатой структурой.

Начинают работу по тепловой мелиорации тундровой поверхности склона по достижению необходимой минимальной оттайки мерзлого грунта в 20-30 см, чтобы обеспечить нормальную работу дисковыми боронами.

Для обеспечения эффективного подземного стока, образующегося в сезонно-талом слое от вытаивания многолетнемерзлых пород в результате произведенной тепловой мелиорации, минимальный уклон поверхности склона должен быть более 0,04-0,06, максимальный ограничен лишь техническими возможностями сельхозтехники. При меньших уклонах (менее 0,04-0,06), как показывает практика, скапливается влага на поверхности, образуются термокарстовые просадки и провалы грунта.

Поверхность мелиорируемой территории склона необходимо, неоднократно, практически примерно в 6-8 следов обработать дисковыми боронами, чтобы добиться хорошего измельчения кочки, мха и перемешивания этой органической массы с нижележащим минеральным грунтом до образования слоя глубины 25-30 см с однородной комковатой структурой.

Такая обработка поверхности позволяет полностью разрушить мощную теплоизоляционную "подушку" из мха и кочки, которая сильно ограничивает приток тепла солнечной энергии в грунт. Во-вторых, такая мохово-кочкарная "подушка" надежно изолирует семена дикорастущих (сенокосных) трав от контакта с минеральным слоем, который находится под ней на глубине 20-25 см.

После проведения боронования и разрушения теплоизоляционной "подушки" происходит изменение теплового режима почвы, что выражается в резком увеличении потока тепла в грунт. Повышенная аккумуляция тепла почвой вызвана изменением теплофизических характеристик в новом измельченном почвенном слое из минеральной и органической составляющей: увеличением коэффициентов теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости. Вследствие этого к концу теплового периода первого года выдержки отмечается максимальное увеличение мощности сезонного протаивания грунта на 50-70% (для условий Анадырского района Чукотки) по сравнению с необработанной территорией (контроль).

После завершения весенних работ по мелиорации территории можно переходить к этапу сельскохозяйственного освоения, например засевать многолетними сенокосными травами.

К концу теплого периода второго года после начала мелиоративных работ отмечается уже незначительное увеличение мощности протайки грунта, всего на 20-25% по сравнению с необработанной территорией (контроль) или на 10-15% к обработанному полю первого года освоения. К концу 3-4-го года выдержки практически заканчивается относительное увеличение мощности сезонного протаивания грунтов от тепловой мелиорации по предлагаемому способу, составляя 5-15% с контролем. С этого момента устанавливается уже новое стабилизированное состояние теплообмена верхнего деятельного слоя с окружающей средой, которое фиксируется схемой на фиг.4, по сравнению с первоначальным (ненарушенным) установившимся состоянием теплообмена на фиг.1.

Таким образом, предлагаемый способ мелиорации земель основан на применении только таких техногенных воздействий, которые вызывают незначительное изменение динамики теплообмена в деятельном слое. При этом величина теплового потока в грунт не будет превышать некоторого критического уровня, выше которого может поступить интенсивное (катастрофическое) вытаивание мерзлых грунтов и развитие термокарстовых процессов: термопросадки, термоэрозия, провалы грунта с обнажением жильного льда, оврагообразование.

При осуществлении предлагаемого способа мелиорации земель недопустимо применять такие техногенные воздействия, которые связаны с горизонтальным смещением грунта: например рыхление и переворачивание пластов грунта (дерна) плугом или рыхление и перемещение грунта при планировке поверхности. Такие приемы обработки недопустимы и способны вызвать необратимую деградацию мерзлоты.

На фиг.1 показан разрез по склону до начала работ; на фиг.2 то же разрез после срезки и измельчения мохово-кочкарной "подушки" с минеральным грунтом; на фиг.3 разрез склона после первого-второго года выдержки; на фиг.4 разрез склона к моменту достижения нового установившегося состояния теплообмена верхнего деятельного слоя с окружающей средой.

На чертеже обозначено: 1 поверхность территории до выполнения работ по тепловой мелиорации, 2 верхняя граница многолетнемерзлых грунтов, 3 повторно-жильные льды (ПЖЛ), 4 многолетнемерзлые грунты (грунты ядер ПЖЛ), 5 поверхность территории после производства мелиоративных работ, 6 поверхность территории после посева культур на 1-2-й год освоения, 7 верхняя граница многолетнемерзлых грунтов в процессе вытаивания льда, 8, 9 новая верхняя граница многолетнемерзлых грунтов и положение ПЖЛ после окончания вытаивания грунтового льда и стабилизации этого процесса (к концу 3-4-го года).

Предлагаемый способ тепловой мелиорации земель прошел экспериментальную проверку в течение четырех лет на опытно-производственных полях площадью 38 га пригородного животноводческого совхоза "Северный" вблизи г. Анадырь на тундровых пологих склонах при освоении земель для сенокосных лугов, овощеводства открытого грунта, пастбища.

Способ показал высокую эффективность при выращивании многолетних трав на зеленый корм, сено и выращивании редиса.

Способ имеет перспективу использования во всех регионах Чукотки и других субарктических и арктических районах Севера, открывает большие возможности сельскохозяйственного освоения обширных тундровых территорий со сплошным распространением многолетнемерзлых пород содержащих повторно-жильные льды и ранее никогда не использованных.