Воскресенье, 19.08.2018, 06:58
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту



Главная » Статьи » Экология

ПРИЧИНЫ ВТОРИЧНОГО ЗАСОЛЕНИЯ ОРОШАЕМЫХ ПОЧВ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ И ЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛАГОПЕРЕНОСА

А.С.Овчинников, член-корреспондент РАН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Н.А.Пронько, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
А.С.Фалькович, доктор технических наук
В.В.Бородычев, академик РАН, доктор сельскохозяйственных наук

ПРИЧИНЫ ВТОРИЧНОГО ЗАСОЛЕНИЯ ОРОШАЕМЫХ ПОЧВ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ И ЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛАГОПЕРЕНОСА

Статья посвящена изучению характера и закономерностей деградационных процессов – подъема грунтовых вод и вторичного засоления, происходивших в почвах Нижнего Поволжья при водных мелиорациях, а также установлению вызывающих их причин и прогнозированию данных процессов на основе математического моделирования влагопереноса. Показано, что подъем грунтовых вод со скоростью 0,2-0,8 м/год и засоление почв в Нижнем Поволжье в первые десятилетия развития водных мелиораций были обусловлены объективными причинами: очень плохой естественной дренированностью, слабой фильтрационной способностью водовмещающих пород и минерализацией грунтовых вод. Важнейшими субъективными причинами этих процессов стали неоправданно низкая доля поливных земель, оборудованных дренажными системами, доминирование в орошаемых севооборотах водоемких культур, применение необоснованно грузных поливных норм, широкое использование ранних весенних поливов многолетних трав и озимых культур. Описаны результаты математического моделирования с использованием модели SWAP водного и солевого режима мелиоративно деградированных в процессе орошения и выведенных из сельскохозяйственного оборота земель и проведено сравнение результатов моделирования с данными полевых обследований. Показана применимость модели SWAP для обоснования очередности ввода забро-
шенных ранее орошаемых участков в земледелие сухостепного Заволжья.

Ключевые слова: водный режим почв; солевой режим почв; математическое моделирование влагопереноса; мелиоративный прогноз.

 

Введение. В настоящее время важнейшей проблемой человечества в мире является рост дефицита продовольствия. Для ее решения требуется значительное увеличение производства растениеводческой продукции. В аридных районах этого невозможно достичь без расширения площадей орошения, так как ирригация была и продолжает оставаться важным фактором, влияющим на продуктивность сельского хозяйства [2, 14, 12]. Однако ирригация способствовала широкому распространению деградации орошаемых земель. Согласно оценкам ФАО, около 25-30 млн га из 255 млн га орошаемых в мире земель серьезно деградировало из-за накопления солей; 80 млн га земель подверглись засолению и заболачиванию [11, 13]. При постоянном росте орошаемых земель в конце прошлого века ежегодно в мире забрасывалось около 10 млн га. Проблемы деградации земель, вызванные широкой ирригацией, развернутой в Поволжье во второй половине ХХ века, были аналогичны мировым. В орошаемых агроландшафтах региона стали развиваться многие негативные мелиоративные процессы, прежде всего, подъем грунтовых вод и засоление. В результате к середине 1980-х годов, в период максимального развития орошения, доля деградированных по этим причинам земель достигла 24 % от общей площади поливных угодий региона. Для уменьшения дефицита продовольствия настоятельной необходимостью стало предотвращение деградацион- ных мелиоративных процессов и прекращение вывода орошаемых земель из сельскохозяйственного оборота. Учитывая ограниченность земельных ресурсов, не менее важным является использование заброшенных из-за засоления участков в земледелии. Для этих целей необходимо прогнозирование изменения мелиоративного состояния земель на основе математического моделирования влагосолепереноса.

Материалы и методы. Исследования проводились в 1973-2015 гг. в сухостеп- ной зоне Нижнего Поволжья. Климат зоны характеризуется континентальностью и засушливостью. Зима умеренно холодная (-10-15 °С), лето теплое (21,6-22,6 °С). Гидротермический коэффициент 0,6-0,7. Годовая сумма осадков 350-450, суммарный дефицит влаги 170-200 мм.
Почвенный покров орошаемых агроландшафтов региона представлен в основном террасовыми каштановыми почвами в комплексе с солонцами различной мощности и гранулометрического состава.

Геоморфологическая область проведения исследований - левобережная часть долины р. Волги, третья и четвертая надпойменные аккумулятивные террасы и долины малых рек. Рельеф слабоволнистый, покатый с малыми уклонами 0,001-0,016 в сторону р. Волги. Исследуемая территория относится к слабодренированным. В ее геологическом строении принимали участие среднечетвертичные хазарские аллювиальные и верхнечетвертичные раннехвалынские аллювиальные отложения, представленные песками, супесями и суглинками.

В работе использовались экспериментальные методы: полевые и лабораторные опыты по изучению водно-физических свойств и водно-солевого режима каштановых почв. Наряду с ними применены теоретические методы исследования - математическая статистика. Полевые эксперименты и обследования мелиорированных земель репрезентативных участков сухостепной зоны проводились согласно принятым методикам. Анализы водной вытяжки выполнялись согласно ГОСТ 26424-85, ГОСТ 26426-85, ГОСТ 26427-85, ГОСТ 26428-85, состав обменных оснований в почвенном поглощающем комплексе - ГОСТ 26487-85, ГОСТ 26950-86, ГОСТ 27821-88.

Результаты и обсуждение. 1. Деградационные почвенно-мелиоративные процессы в орошаемых агроландшафтах Нижнего Поволжья при увеличении приходной части водного баланса и их причины.

В Нижнем Поволжье с середины 1960-х годов была развернута широкая ирригация земель. В результате в Поволжском экономическом регионе площадь орошаемых сельскохозяйственных угодий за 25 лет (1966-1990 гг.) увеличилась со 170,6 до 1 689 тыс. гектар. Наибольшая площадь инженерных оросительных систем была введена в Саратовской, Волгоградской и Астраханской областях, соответственно 466,0, 346,2 и 235 тыс.га.

В результате орошения приходная часть водного баланса мелиорированной территории увеличилась на 30-60 % от естественного поступления влаги. Это привело к повсеместному подъему грунтовых вод. В первые 15 лет орошения в 10-километровой зоне к Волгоградскому водохранилищу грунтовые воды поднимались со скоростью 0,20,4, а далее от реки Волги - 0,5-0,7 [3], на Прикаспийской низменности - 0,3 до 0,8 м в год. Одновременно возрастало и засоление почв. Эти процессы обусловили рост площадей мелиоративно неблагополучных по УГВ и засолению земель. К периоду наибольшего развития ирригации в регионе (1990 г.) их площадь составила в Саратовской области 8,38, Волгоградской - 14,00, Астраханской - 19,23 % от общей площади орошаемых земель.

Подъем грунтовых вод и засоление почв в Нижнем Поволжье в первые 20-30 лет развития водных мелиораций, усиление выраженности мелиоративно неблагополучных процессов с севера на юг были обусловлены как объективными, так и субъективными причинами.

Первопричиной повсеместного подъема грунтовых вод при развитии орошения в регионе был характер гидрогеолого-мелиоративных условий, вовлеченных в орошение территорий, и, прежде всего, их очень плохая дренированность. Геоморфологически в Заволжье выделяют долину реки Волги, Низкую Сыртовую равнину и Прикаспийскую низменность. По естественной дренированности долина Волги относится к категории слабод- ренированной, с оттоком грунтовых вод 150-300 м/год, Сыртовая равнина - к весьма сла- бодренированной (50-150 м/год), Прикаспийская низменность - к бессточной (менее 50 м/год). Это в значительной степени обусловлено свойствами водовмещающих пород, их слабой фильтрационной способностью и водопроводимостью (таблица 1).

Таблица 1 - Свойства водовмещающих пород в Нижнем Поволжье

Объективной причиной развития вторичного засоления на орошаемых землях Нижнего Поволжья были также свойства грунтовых вод. Они в различной степени минерализованы (таблица 2). Это обусловлено тем, что при слабой дренированности местности и засушливости климата подземный сток грунтовых вод не развивается, в расходной части баланса преобладает испарение, что и приводит к их засолению.

Таблица 2. - Характеристика грунтовых вод в Нижнем Поволжье

В долине реки Волги грунтовые воды преимущественно пресные гидрокарбо- натно-кальциевые с минерализацией от 0,2-1 г/л, однако на небольших участках встречаются слабо-, средне- и сильносолоноватые воды с минерализацией от 1 до 10 г/л. Грунтовые воды Низкой Сыртовой равнины хлоридного состава на севере слабомине- рализованы, с плотным остатком до 3-5 г/л. К югу минерализация увеличивается и на отдельных участках достигает 20-25 г/л и более. На Прикаспийской низменности грунтовые воды хлоридно-натриевого состава, соленые с минерализацией более 10 г/л.

Важнейшей субъективной причиной негативных почвенно-мелиоративных процессов в орошаемых агроландшафтах Нижнего Поволжья стала неоправданно низкая доля орошаемых земель, оборудованных дренажными системами. Особенно низкой она была в Саратовской области и составляла 0,1 %, в Волгоградской - 5,5 %. Это несмотря на то что прогнозы подъема грунтовых вод, выполненные учеными региона [4, 3, 8, 6], показали, что поддержание благоприятной мелиоративной обстановки без дренажа в экологических условиях Заволжья, особенно на Сыртах было невозможно или весьма проблематично.

Наряду с недостаточностью дренажа субъективными причинами подъема грунтовых вод стали: доминирование в орошаемых севооборотах водоемких культур, применение необоснованно грузных поливных норм, отсутствие их дифференциации в течение вегетации культур, широкое использование ранних весенних поливов многолетних трав и озимых культур. Так, основными кормовыми культурами были отличающиеся высокой водоемкостью многолетние травы, доля которых в структуре посевных площадей орошаемых земель за период 1991-1993 гг. составляла в Саратовской области 71,6 %, Волгоградской - 75,3 %.

Применявшиеся поливные нормы на 50-100 % превышали нормативные зональные [9, 5]. Перечисленные причины обусловили большие потери оросительной воды с орошаемых полей на инфильтрацию за пределы корнеобита- емого слоя, которые составляли до 30-60 % от водоподачи и питали грунтовые воды. В Астраханской области, помимо этих причин, значительные инфильтрационные потери были связаны с широким распространением поверхностного способа орошения на рисовых системах, доля которых в середине 1980-х годов доходила до 40 %.

2. Прогнозирование вторичного засоления на основе математического моделирования влагопереноса.

Учитывая ограниченность земельных ресурсов, важным является использование заброшенных из-за засоления участков в земледелии. Обоснованный выбор очередности ввода в сельскохозяйственный оборот деградированных засоленных земель можно сделать только на основе прогнозирования изменения их мелиоративного состояния с помощью математического моделирования влагосолепереноса.

Модель мелиоративного режима должна описывать передвижение влаги и солей в корнеобитаемом слое, поскольку именно водный и солевой режимы почв являются лимитирующими для развития сельскохозяйственных культур в Поволжье. В зоне неполного водонасыщения преобладают вертикальные - восходящие или нисходящие - потоки влаги и, соответственно, солей.

Эта причина, а также необходимость детального описания взаимосвязанных процессов влаго- и солепереноса делает предпочтительным выбор одномерной модели с одной (вертикальной) координатой.

Наиболее полно приведенным выше требованиям отвечают модель и программа SWAP, разработанные учеными Вагенингенского университета под руководством профессора Р. Феддеса [10]. Для этой модели нами были определены параметры миграции влаги и солей [7].

Для прогноза изменения мелиоративного состояния земель были выбраны два участка № 2 и № 7, расположенные в Энгельсском районе Саратовской области. На этих участках в результате многолетнего орошения к началу 1980-х годов грунтовые воды поднялись до критического уровня 1,6-1,7 м, орошение было прекращено, и они были выведены из сельскохозяйственного оборота [1].

Исходными данными для солевого прогноза послужили результаты полевых обследований 1984 (участок 7) и 1991 (участок 2) годов. На основе данных о распределении токсичных солей в почвенном профиле было проведено моделирование движения воды и солей для метеоусловий каждого отдельного года за расчетный период.

Результаты моделирования показали, что на участке 2 наибольшая концентрация ионов переместилась из пахотного горизонта во второй полуметр. Было отмечено также общее уменьшение количества токсичных солей во всем метровом слое. На участке №7 с высоким уровнем грунтовых вод произошло усиление засоления (рисунок 1).

Результаты моделирования были сопоставлены с данными наших полевых обследований 2005 года. Они подтвердили правильность результатов моделирования.

Согласно обследованиям, на участке 2 в результате прекращения орошения и подачи воды в канал уровень грунтовых вод при наличии естественной дренированно- сти понизился с глубины 1,6-1,7 м до нескольких метров. Вследствие этого начал восстанавливаться естественный автоморфный режим почв, грунтовые воды перестали участвовать в водопотреблении растений. Соли перестали подтягиваться к поверхности за счет испарения грунтовых вод и, наоборот, начали вымываться из пахотного горизонта нисходящим потоком воды в периоды весеннего снеготаяния. К 2005-му году почвенный слой 0-50 см стал незасоленным. Кроме того, произошло перераспределение ионов солей по почвенному профилю - токсичные соли переместились во второй полуметр, который, учитывая преобладание ионов SO4- и HCO3, по степени засоления, также можно отнести к незасоленному (рисунок 1). В слое 0-50 см почвы из категории слабозасоленных перешли в незасоленные.

Рисунок 1 - Результаты натурных исследований и моделирования изменения солевого режима террасовых темно-каштановых почв после вывода их из орошения, выполненные с помощью программного комплекса SWAP: а - участок 2, б - участок 7

На участке № 7, расположенном в понижении к балке Сухая Саратовка и практически бессточном, грунтовые воды в 2005 г. не опустились ниже критической глубины и продолжали участвовать в почвенном влагообмене. Это привело к увеличению количества солей в пахотном и подпахотном горизонте за счет расхода грунтовых вод на испарение (рисунок 1). За 21 год (1984-2005) произошло перераспределение ионов солей по почвенному профилю, наибольшая концентрация переместилась из второго полуметра в верхний полуметр, и почвы из категории незасоленных перешли в средне- засоленные.

Оценка достоверности моделирования и качества адаптации модели SWAP к почвенно-климатическим условиям Саратовского Заволжья проводилась с использованием коэффициента Тейла (U):

где Гр1 и YMi - наши данные полевых обследований 2005 г. и результаты моделирования солевого режима за расчетный период, соответственно; N - количество опробований.

Коэффициент Тейла изменяется от нуля до единицы. Он равен нулю в случае полного совпадения реальных и модельных значений и равен единице при очень большом их расхождении. При моделировании процесса солепереноса с помощью модели SWAP он составил 0,26 для участка №2 и 0,07 для участка №7, что достаточно близко к нулю.

Заключение. Широкая ирригация земель Нижнего Поволжья, увеличившая приходную часть водного баланса территорий на 30-60 % и усилившая питание грунтовых вод, обусловила их подъем со скоростью 0,2-0,8 м/год и вторичное засоление почв. В результате этих процессов через 25 лет орошения доля деградированных по УГВ и засолению земель достигла 24 % от общей площади поливных угодий региона.

Объективными причинами неблагоприятных мелиоративных процессов стали: плохая естественная дренированность вовлеченных в орошение территорий - скорость оттока грунтовых вод в долине реки Волги 150-300, на Низкой Сыртовой равнине - 50150, в Прикаспийской низменности - менее 50 м/год; слабая фильтрационная способность водовмещающих пород - коэффициент фильтрации пород от 1,0-0,2 в долине Волги до 0,01-0,1 м/сут в Прикаспийской низменности; минерализация грунтовых вод - от 0,2-10 в долине Волги, 3-25 на Низкой Сыртовой равнине и более 10 г/л в Прикаспийской низменности.

Важнейшими субъективными причинами негативных мелиоративных процессов были: неоправданно низкая доля орошаемых земель, оборудованных дренажными системами, - 0,1 % в Саратовской и 5,5 % в Волгоградской области; доминирование в орошаемых севооборотах водоемких культур, доля которых доходила до 70 %; применение необоснованно грузных поливных норм, превышающих на 50-100 % нормативные зональные и приводящих к выходу поливной воды за пределы корнеобитаемого слоя; широкое использование ранних весенних поливов многолетних трав и озимых культур.

Модель SWAP вполне применима в условиях сухостепного Заволжья и может быть использована для обоснования очередности ввода заброшенных ранее орошаемых участков в сельскохозяйственный оборот. По результатам выполненного прогноза участок 2 может быть введен в сельскохозяйственный оборот.

Библиографический список

1. Влияние ирригационного техногенеза на водно-солевой режим темно-каштановых почв и формирование растительных сообществ в Саратовском Заволжье [Текст] / Н.А. Пронь- ко, А.С. Фалькович, Е.Н. Шевченко, В.С. Бурунова. - Саратов: Изд-во СГАУ, 2006. - 120 с.
2. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения [Текст]. - М.: МСХ РФ, 2013. - 66 с.
3. Дубинский, А.А. Формирование минерализации грунтовых вод при орошении [Текст] / А.А. Дубинский, М.Я. Фишман // Эксплуатация оросительных систем Поволжья: сб. науч. тр. - М.: ВНИИГиМ, 1987. - С. 50-54.
4. Пронько, Н.А. Изменение плодородия орошаемых каштановых почв Поволжья в процессе длительного использования и научные основы его регулирования [Текст] / Н.А. Пронько, Л.Г. Романова, А.С. Фалькович / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2005. - 220 с.
5. Укрупненные нормы водопотребности для орошения по природно-климатическим зонам СССР [Текст] / ММиВХ СССР. - М., 1984. - 346 с.
6. Фалькович, А.С. Прогноз водно-солевого режима почвогрунтов при разработке проекта реконструкции оросительной системы и определение параметров миграции влаги и солей [Текст] / А.С. Фалькович, Н.А. Пронько //Вопросы мелиорации и водного хозяйства Саратовской области : сб. научн. трудов. - Саратов: СГАУ, 2002. - С. 23-33.
7. Фалькович А.С. Значения гидрофизических параметров для моделирования влагопе- реноса в террасовых темно-каштановых почвах Нижнего Поволжья [Текст] // Научное обозрение. - 2011. - № 3. -С. 13-17.
8. Фишман, М.Я. Прогноз подъема грунтовых вод на Балаковской оросительной системе [Текст] / М.Я. Фишман // Мелиоративный прогноз и мероприятия по предупреждению засоления орошаемых земель в Поволжье. - М.: ВНИИГиМ, 1974. - С. 28-39.
9. Шувалов, А.Н. Современные системы орошаемого земледелия Поволжья и пути их реформирования [Текст] / А.Н. Шувалов, Г.И. Фомин, Н.А. Колчина. - Саратов, 1994. - 58 с.
10. Van Dam, J.C. Theory of SWAP version 2.0. Simulation of water flow, solute transport and plant growth in the Soil-Water-Atmosphere-Plant environment. Technical Document 45. DLO Winand Staring Centre, Wageningen. Report 71, Department Water Resources/ J.C. van Dam, J. Huy- gen, J.G. Wesseling, R.A. Feddes, P. Kabat, P.E.V. van Walsum, P. Groenendijk, C.A. van Diepen. - Wageningen: Wageningen Agricultural University, 1997. - 167 p.
11. Food and Agriculture Organization of the United Nations [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.fao.org. Date Views 15.02.2018.
12. Ovchinnikov, A.S. The state and prospects of reclamation development in the Volgograd area [Текст]/ A.S. Ovchinnikov, M.M. Bubenchikov, A.A. Pakhomov // Природообустройство. - 2011. - № 4. - С. 12-15.
13. Salt-Affected Soils and their Management //I P. Abrol, J.S.P. Yadav, F.I. Massoud // FAO Soils Bulletin 39. Food And Agriculture Organization Of The United Nations. Rome, 1988.
14. Scherr, S.J. Soil Degradation. A Threat to Developing-Country Food Security by 2020? - Washington, U.S.A. : International Food Policy Research Institute, 1999. - 63 p.

"Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса" № 2 (50), 2018

Категория: Экология | Добавил: x5443 (21.07.2018)
Просмотров: 27 | Теги: почва | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2018 Обратная связь