способ фитомелиоративного биодренирования почвогрунтов поливных земель, имеющих засоление

Формула изобретения

Способ фитомелиоративного биодренирования почвогрунтов, имеющих засоление, включающий посадку полезащитных орошаемых лесополос, отличающийся тем, что ширину межполосного поля определяют по суммарному размеру зон гидрологического влияния породного состава смежных полезащитных лесополос и уровню аридности территории, в качестве водоотводящего устройства с середины поля укладывают непроницаемый для водных растворов солей зоны аэрации экран с уклоном в сторону лесополос, служащих биологическим испарителем фильтрующихся поливных вод.

Описание изобретения к патенту

Основным зональным недостатком Прикаспийской низменности для сельскохозяйственного использования являются неблагоприятные почвенно-климатические условия. Зона имеет большие ресурсы тепла и света при дефиците влаги за вегетационный период. Дисбаланс поступающего тепла с влагой превышает в 3-5 раз. Водные ресурсы ограничены при неравномерном их распределении. Высокие летние температуры воздуха и сильная ветровая деятельность при крайне слабой лесистости равнинных пространств агросферы усиливают дефицит влаги в корнеобитаемом слое и в приземной атмосфере посевов. Положение усугубляется распространением на территории засоленных, солонцеватых почв, солонцов и солончаков.

Дневная поверхность территории формировалась на протяжении длительного геологического периода вследствие преобладающего тектонического опускания блоков кристаллического фундамента. За этот период в синеклизе накапливалась толща глинистых и тяжелосуглинистых осадочных отложений морских и континентальных периодов и большого количества химических продуктов обширных территорий денудационного сноса и солей древних каспийских морей.

Наличие в сухих грунтах зоны аэрации большого количества солей с максимумом в «шоколадных» глинах держит почвогрунты в экологически неуравновешенном состоянии, способных при большом поступлении влаги перейти обратно к их исходному состоянию - гидроморфной стадии почвообразовательного процесса. Недостаток естественного увлажнения современного периода полупустынных светло-каштановых и бурых почв с сухими грунтами зоны аэрации обеспечивают развитие почвенных процессов, естественных и сеяных ландшафтов по ксерофитному типу.

В богарном земледелии для стабилизации и улучшения продуктивности сельского хозяйства, борьбы с эрозией и засухой используют защитное лесоразведение. Более чем полуторавековый опыт агролесомелиорации показал, что защитное лесоразведение является самым эффективным долговременно действующим мероприятием, а в ряде случаев (в борьбе с опустыниванием) - единственным средством. Полезащитные лесополосы обеспечивают на защищаемой ими площади среднюю прибавку урожая зерновых культур на 18-25%, технических - на 20-30%, кормовых - 30-50% [1].

1. Е.С.Павловский. Защитные лесонасаждения в ландшафтной организации сельскохозяйственной территории, г.Волгоград, ВНИАЛМИ, 1993, - с.22.

Насажденные деревья и кустарники выступают как механические препятствия на пути распространения ветровых и водных потоков, создавая шероховатую поверхность агротерритории. Они также формируют эти потоки, придавая им иные аэродинамические и гидротермические характеристики. В соответствии с этим подвергаются изменению и другие абиотические и биотические показатели среды агроландшафта, включая изменения микроклимата, качества почвы, состояния напочвенного покрова, качество режима поверхностных и подземных вод, развитие флоры и фауны, изменение качества воды и воздуха.

В регионе процессы деградации почв усиливаются с увеличением сухости климата. Дальнейшее расширение площади пашни в регионе без очень значительных затрат практически невозможно. Поэтому увеличить производство продукции растениеводства здесь можно только путем интенсификации аграрной деятельности на базе рационального использования земельных ресурсов. Разработка и реализация комплексной программы решения этой задачи является основой всех других мероприятий по развитию земледелия и повышению его производства [2].

2. Концепция социально-экономического развития агропромышленного комплекса Прикаспийского региона (коллектив авторов), - Волгоград, - ВНИАЛМИ, 1990, - с.58.

Постоянная ветровая деятельность является основной причиной повышения расхода почвенной влаги и усиливает жесткие почвенно-климатические условия полупустынной зоны светло-каштановых почв. Эволюционно приспособленное к автоморфному типу почвообразования и ксерофитным ландшафтам орошаемое поле становится как бы чужеродным элементом [3].

В.И.Коробов. Лесоаграрная биоклиматическая оптимизация поливных земель. Материалы международной научно-практической конференции. Раздел «Агрономия», «Зоотехния». Волгоград, 2003, - с.79-80.

Суховейные ветры резко усиливают физическое испарение влаги с поверхности почвы по сравнению с естественным. Вода быстро выносится ветром из верхнего слоя почвы. Возникают окраечные запалы посевов. Вынужденное увеличение числа поливов на устранение пустынного эффекта ведет к большой потере поливной воды на фильтрацию. При низкой отточности грунтов зоны аэрации это ведет к накоплению почвенно-грунтовых вод и засолению корнеобитаемых горизонтов почвы. С водой приходят в движение солевые массы вплоть до коренных осадочных пород.

Проблемы заболачивания и последующего засоления орошаемых земель в силу своих природных особенностей остается также актуальными, как и в начале развертывания здесь Программы поливного земледелия. Для части степных пространств слабая отточность водовмещающих грунтов, засоленность почвообразующих пород стала причиной деградации почвенного плодородия орошаемых полей. Эта же причина фактически стала основной для разрушения оросительной мелиорации в рассматриваемом регионе и в целом по стране [4].

В.И.Коробов. Природные и антропогенные причины деградации полупустынных светло-каштановых почв. Сб.: Научный вестник. Агрономия. Вып. 4. ВГСХА. - Волгоград, 2004, - с.134.

Биодренаж древесных пород основан на естественной способности поглощать почвенные растворы почвенных питательных солей (десукция) и испарять чистую воду как заключительную фазу биологического участия воды в растительном организме.

Величина десукционной способности древесных пород при наличии тепла и сухости воздуха приземной атмосферы зависит от наличия почвенной влаги в зоне распространения их корневых систем (в объеме почвогрунта 15-25 м по радиусу от ствола горизонтальных корней и на глубину 1,5-3 м вертикальных). Максимальная десукция возникает при оптимуме тепла, сухости воздуха и неорганического количества доступной почвенной влаги. По мере уменьшения запасов влаги в почве биологическое испарение листьями (интенсивность транспирации, И.Т.) уменьшается и бывает минимальной при влажности разрыва капилляров, составляя 30-40% от ее максимума.

Это состояние в исследуемом регионе наступает при влажности незасоленных почвогрунтов приблизительно 70% от наименьшей влагоемкости (НВ) и при 72-75% на засоленных почвогрунтах вследствие наступления физиологической «сухости» почвогрунтов. И.Т. тормозится трудностью преодоления корнями влагоотдачи грунтов и физиологическими реакциями растительных организмов. При очередном увлажнении почвы (дожди или полив) вновь увеличивается.

Таким образом, большие объемы биодренажной утилизации подпочвенных вод бывают только при достаточном или неограниченном количестве воды в почвогрунтах в зоне корневых систем древесных организмов.

Десукция полезащитных ЛП бывает высокой или максимальной при их размещении вдоль магистральных каналов и каналов внутрихозяйственной оросительной и водосборной сети, имеющих большие фильтрационные потери транспортируемой по ним воды от источника водозабора до полей (до 50-70% воды в земляном исполнении канала), по берегам водоемов, при размещении полезащитных лесополос по периметру больших орошаемых полей, имеющих подтопление почвогрунтов.

В последнем случае биодренирование почвогрунтов идет с быстрым понижением уровня подпочвенных вод в начале под проекций кроны полезащитной ЛП за счет высушивания корневыми системами почвогрунта. В зоне их корневых систем высушиваются почвогрунты и образуется вертикальная депрессия УГВ до 5 м. Это вызывает отток (вплоть до напорного) подпочвенных вод со стороны поля вследствие превышения их уровня. Образуется депрессионная кривая залегания подпочвенных вод, которая увеличивает зону гидрологического влияния полезащитных лесополос до указанных величин - 160 м вязовой лесополосой и 200 м тополевой.

В случае, если орошаются два смежных подтопленных поля, то находящаяся между ними полезащитная лесополоса имеет две равновеликие зоны гидрологического влияния на почвогрунты обоих полей с максимумом понижения депрессионной кривой под проекцией корнеобитаемой зоны ЛП. Это и есть полная зона гидрологического влияния полезащитной ЛП на поле без дренажа и на поле, имеющем КДС перед откачиванием дренажных вод.

Указанный эффект осушения грунтов подтопляемых окраин поля достигается при условии, если древесные породы полезащитных лесополос были орошаемыми с момента их посадки или если они выросли неполиваемыми, но на почвах с близким залеганием УГВ. В этом случае они быстро растут и имеют хорошие таксационные показатели, хорошо развитую корневую систему, облиственность, способность к линейному росту до 15-18 лет и по совокупности свойств обладают высокими мелиоративными показателями. В условиях орошения и ухода за ними лесополосы долговечны и способны функционировать более 50 лет на черноземах и 25-30 лет на засоленных светло-каштановых почвах.

По моим данным на орошении на засоленных почвах вяз приземистый в пятилетнем возрасте имеет высоту 5,9м, в неорошаемой ЛП в этих же условиях этой высоты вяз достигает к девяти годам жизни. Масса сырых листьев равна 1464 см², что составляет 49% от площади листьев орошаемого вяза (3004 см²). (Коробов В.И, 1982).

На орошаемых землях, отмечает А.М.Степанов (1979, с.16-32), при достаточной водообеспеченности лесные полосы растут в 1,5-2 раза быстрее и уже на 3-4 год влияют на повышение урожая с.-х. культур, у них увеличивается долговечность и устойчивость к заболеваниям древесных пород. Медленно растущие древесные породы переходят в разряд быстрорастущих. Например, на светло-каштановых солонцовых почвах в сухой степи дуб черешчатый в 10 лет без полива имел высоту 1,1 м, а с поливом 4,4 м, ясень зеленный соответственно 2,2 и 6,1 м, вяз приземистый 3,6 и 9 м. Гибридные тополя за этот срок достигают высоты 15-17 м.

Отсюда и однозначный вывод - на орошаемых полях должны орошаться и их полезащитные лесополосы с тем, чтобы они быстрее имели хорошие таксационные показатели и оказывали наибольшую ветрозащиту и биодренирование почвогрунтов.

Однако в больших по размерам орошаемых полях, чтобы получить большой эффект биодренирования подпочвенных вод, надо дождаться подтопления почвогрунтов минерализованной водой, то есть резко ухудшить их состояние до грани деградации почвенного плодородия на преобладающей части территории полупустынных степей.

Я считаю, что в исследуемой зоне с неблагоприятными почвенно-климатическими условиями следует отказаться от крупных полей. Практика собственных многолетних исследований проблемы качественного улучшения и сохранения плодородия орошаемых полей в данной зоне показывает: в жестком соотношении природно-климатических условий с преобладающим количеством негативных агро- и гидрологических характеристик территории необходимо уменьшение площади орошаемых полей в целях сохранения почв от развевания, размывания, засоления и утраты природного типа почвообразования. Эти условия соблюдаются в лесозащищенном агроландшафте в системе ЗЛН с шириной межполосного поля от 250 до 400 м. По нашему мнению, применение межполосных расстояний между основными ЛП в данной зоне должно ориентироваться на предотвращение наиболее опасного параметра для орошения - подтопления зоны аэрации, создавая относительно автономные лесоаграрные ландшафты с межполосным пространством, равным их зонам десукционного гидрологического влияния на защищаемое поле.

Уменьшение зоны ветрозащитного влияния полезащитных лесополос ведет к качественному улучшению целого комплекса мелиоративного воздействия на поле. Здесь резко снижается физическое испарение с поверхности почвы за счет увеличения продуктивного испарения влаги растениями. Устойчивый микроклимат в посевах создает условия более длительного нахождения влажного воздуха в посевах, за счет чего преобладающая тепловая энергия тратится на испарение влаги. Поэтому механизм действия защитных лесных насаждений на полях следует рассматривать с позиций экологического равновесия экосистем аграрного ландшафта. Биодренирование подтопленных почвогрунтов орошаемой агросферы полупустынных степей можно рассматривать как единственно существующий в настоящее время прием, позволяющий ликвидировать подтопление почв и пустынный эффект физического пересушивания почвогрунтов, нормализующий основу первичного балансирования поступающего природного тепла антропогенным увлажнением.

Систему биодренажной утилизации подпочвенных вод лесоаграрного мелиоративного орошаемого комплекса составляют полезащитные ЛП совместно с полевыми культурами преимущественно сплошного сева рекомендуемых севооборотов. В случае их ранней уборки, освободившаяся площадь поля должна заниматься повторной (промежуточной) культурой.

Опыт освоения территории светло-каштановых почв с применением только ирригации показал свою непригодность в данных почвенно-климатических условиях. Основная неудача оросительной мелиорации заключается в нарушении жесткого природного баланса воды, особенно в расходных частях орошаемого поля. При высоких температурных режимах вегетационных периодов и сложной гидрохимической обстановке основной расход воды орошаемого поля идет через испарение с поверхности почв и растений, а часть поливной воды идет на инфильтрационное накопление в почвогрунтах.

Для снижения негативных природно-климатических последствий в агролесомелиорации применяют полезащитные лесные полосы. На полях под защитой лесных полос снижается скорость ветра, повышается сохранность снега в 1,5-2,0 раза, весеннее увлажнение почвы на 20-40 мм, а с учетом уменьшения физического испарения в период вегетации - на 30-60 мм. Под защитой лесополос в полях снижается вероятность суховейной погоды на 20-30%, ограничивается и предотвращается эрозия почв, возрастает биоклиматический потенциал продуктивности земли (БПК) на 30-50%, отмечает В.М.Кретинин (1995).

Полезащитные лесные полосы на орошаемых землях оказывают также комплекс положительного влияния на защищаемом поле, что и на богарных полях. Однако мелиоративное влияние системы защитных лесополос здесь на порядок выше, вследствие перераспределения расхода дополнительной влаги, подаваемой с поливами, что отмечается на более оптимальном росте, развитии и урожайности выращиваемых культур и водно-солевом режиме почв.

Физическая сущность мелиоративного воздействия ПЛП заключается в уменьшении ветрового режима - практически постоянного негативного фактора на безлесых просторах полупустынной степи, уносящего влажный воздух с поверхности почвы и из стеблестоя растений. В среднем дальность эффективного влияния ПЛП при расчете на 10% снижение скорости ветра в поле от его скорости в степи составляет 27-30Н (Н - высота насаждения). Более часто зону влияния полезащитных ЛП считают 20-25Н, как на богаре, так и на орошении. Встречая на пути ветрового потока препятствие в виде ПЛП, нижняя часть ветрового профиля поднимается над лесополосой, пролетая над полем, а приземная часть продувается через ПЛП, резко снижает свою скорость и уменьшает испарение с поверхности почвы, прекращает эрозию и не выносит влажный воздух. Таким образом ПЛП являются многофакторным регулятором среды, стабилизирующим экологическую обстановку, сохраняющим микроклимат посевов и дающий им восстановиться в ночное время суток после изнуряющего суховейного ветра. Применение способа биологической дренированности позволяет физически испаряющуюся влагу с поверхности поля с отложением в почвах солей в твердой фазе заменять биологически чистой водой с более долгим пребыванием ее в защищенном пространстве поля. При испарении каждого мм ³ влаги расходуется 600 кал тепла, избыток которого в поле снижается. Происходит балансирование водно-термического соотношения.

Поэтому ПЛП следует рассматривать как основное звено системы земледелия неблагополучных по почвенно-климатическим условиям. Их эффективность зависит от оптимальных параметров размещения на площади, высоты насаждения, конструкции и породного состава лесных культур, и других параметров.

Кроме того, на орошаемых землях лесные культуры реализуют в наибольшей степени десукционные способности путем биодренажного испарения почвенной влаги. Поэтому их можно использовать в качестве биодренажа.

Изучение интенсивности транспирации (1972-1982 гг.) лесных культур на орошении показало хорошие результаты по биодренированию поливных земель, возможность использования их в качестве биологических утилизаторов почвенного подтопления.

Последующие исследования (1983-1996 гг.) по направленному использованию комплексного мелиоративного влияния лесных насаждений подтвердили более ранние предположения, что защитное лесоразведение на орошаемых землях является единственно известным в настоящее время стабилизатором водно-термических отношений и водно-солевого режима полупустынного орошаемого агроландшафта, перераспределяющего поступающую дополнительную влагу не на ускоренное подтопление и движение галитов большого геологического круговорота вещества и уничтожение хрупкой биосферы засушливых степей, а на устранение пустынного эффекта высушивания почвенного покрова за счет гашения тепловой энергии более длительным сохранением влажности деятельного слоя.

Востребовательность изобретения. Для человека жизненно необходимо сохранение почв и улучшение их плодородия. Одновременно в мире происходит уменьшение площади почв в сельскохозяйственном использовании за счет отчуждений земель под строительство городов, дорожных коммуникаций, аэродромов, горной индустрии, гидроэнергетики, и потери антропогенно засоленных и опустыненных хозяйствованием земель.

Кроме абсолютного существует относительное уменьшение площади сельскохозяйственных земель, обусловленное демографическими факторами, резко снижающих площади с.-х. угодий, приходящихся на одного человека и одновременно определяющих необходимость непрерывного производства продовольствия, сырья для промышленности, улучшения качества жизни.

Постоянно существующее в мире противоречие уменьшения площади посева и увеличения потребности в продовольствии и сырье пытаются разрешить в результате резкого увеличения выхода продукции с единицы площади за счет внедрения в практику достижений селекции, химизации, механизации и электрификации земледелия, всевозможных мелиораций и новых технологий.

Пригодных для экстенсивного расширения земельных резервов под с.-х. использование в мире и в России уже нет. Остались земли, освоение которых связано с предварительным балансированием водно-термического режима, плодородия и создания благоприятных физико-химических свойств почв, требующих всевозможных мелиораций и больших затрат. В основном это земли северных и южных климатических зон - избыточно увлажненных, каменистых, с холодным климатом или острозасушливых с полупустынным и пустынным климатом и засоленными почвогрунтами. Сложность освоения таких почв заключается в хрупкости их биосферных ландшафтов, резко теряющих свое качество при вмешательстве человека.

Изобретение ориентировано на вовлечение земельных ресурсов в сельскохозяйственное производство Прикаспийского региона для решения проблемы собственной продовольственной независимости за счет внедрения нового поколения агроландшафтов - лесоаграрных орошаемых комплексов, способных противостоять негативным факторам зоны и трансформировать их в благоприятные для роста растений и сохранения почв в защищенном пространстве автономных комплексов.

Эффект работы таких комплексов наиболее полно проявляется при высокой культуре земледелия и грамотной эксплуатации. Основная на ценотическом уровне адаптация комплексов предлагаемого способа позволяет осваивать территорию слабозатронутых почвообразованием соленосных почвогрунтов безводной морской равнины, где пока невозможно использование других прямых методов освоения, и как улучшающей результативность агролесной, агролесопастбищной и лесопастбищной систем, согласно разработанной агролесомелиоративной классификации ВНИАЛМИ для всей совокупности экотонов Прикаспийского региона.

Для начального опреснения (обессоливания) изолированного корнеобитаемого слоя от грунтов зоны аэрации в зависимости от состава солей и их концентрации возможно промывание почвогрунтов повышенными нормами в осенний или в поливной период. В случаях особо высокого уровня засоления (>1,5%) близко к поверхности залегающих «шоколадных» глин возможно применение химической мелиорации.

При освоении биодренажных экранируемых лесоаграрных комплексов сохраняется природный автоморфный режим почвообразования. Возможно придание почвенно-грунтовой толще заданных физико-химических свойств за счет пескования плотных иловатых глин морского генезиса.

Осуществление изобретения. По перечню выполняемых работ наиболее близким являются способы рекультивации нарушенных добывающей промышленностью земель под сельскохозяйственное использование (под пашню и многолетние насаждения) и под лесохозяйственное (лесопосадки эксплуатационного и специального почвозащитного назначения).

Подготовительный этап. Почвенно-грунтовые обследования (гидрология, плотность сложения почвогрунта и гранулометрический состав, глубина залегания засоленных почвогрунтов от поверхности) для определения объема выполнения земляных работ. Определение расположения поля (полей), разметки трассы водовода, подбор древесных пород и рядности ПЛП, выбор способа орошения в зависимости местных условий климата и розы ветров. Определение сроков выполнения.

Технический этап. Последовательное перенесение в натуру намеченных объектов. Строительство водовода от водозабора, конструирование земельной площади в зависимости от намеченного производство продукции: послойное удаление почвенно-растительного слоя и буртование его вдоль намеченного к рыхлению грунтов участка поля; подготовка площади под ПЛП и проведение химической и предпосадочной подготовки почвы; рыхление нижнего слоя почвогрунта с одновременной укладкой рулонных полимерных материалов; равномерное внесение почвенно-растительного слоя на поверхность; размещение водоподводящих труб и гидрантов.

Биологический этап. Посадка и полив сеянцев лесополос по периметру поля. Внесение органических мелких отходов переработки круп, биотоплива, растительных масел, соломы прошлых лет, жидких и твердых фракций навоза, продуктов деревообработки для увеличения органики и гумуса почвы поля. Выравнивания почвы. Посев озимой ржи (ячменя) с подсевом люцерны для органического соединения компонентов почвогрунта сквозным корненасыщения на фоне орошения.

Указанный способ позволяет проводить рекультивацию деградированных орошением почвогрунтов и вовлекать их в полноценное использование в виде адаптированных к почвенно-климатическим условиям засушливых зон автономных лесоаграрных орошаемых комплексов универсального сельскохозяйственного использования.

При соответствующем изменении ландшафтной композиции элементы способа можно использовать в качестве архитектурно-планировочного, селитебного и рекреационного восстановления оптимальных микро- и мезо-климатических условий в зоне проживания и отдыха людей, устройства защитных дорожных лесополос полупустынных и пустынных территории Крайнего юго-востока страны.