УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
На основе системного анализа, балансового метода и результатов натур-ных исследований на мелиоративно-болотных стационарах Мещерской низменности предложена система показателей экологических ограничений мелиоративного воздействия на природную среду, включающая классы состояния (норма-риск-кризис-бедствие), ограничение скорости минерали-зации торфа (понижение поверхности и потерю органического вещества), показатель сравнительной эколого-экономической эффективности, ограни-чение оросительных норм и снижение ресурсоемкости мелиоративных технологий. Разработаны методы и способы управления минерализацией органического вещества осушаемых торфяных почв, направленные на предотвращение и ослабление минерализации торфа или на усиления про-цесса накопления органического вещества, и которые позволяют проекти-ровать современные мелиоративные системы, отвечающие экологическим требованиям.
мелиоративный режим, экологические ограничения, трансформация тор-фа, дренажный сток, эмиссия углекислого газа, ресурсоемкость.
Современная экологомелиоративная парадигма характеризуется понятийным ядром, включающим комплексные мелиорации и мелиоративный режим, предложенный А.И. Головановым и И.П. Айдаровым как совокупность требований к управляемым факторам почвообразования, роста растений и воздействия на окружающую среду, которые должна обеспечить система мелиоративных мероприятий для достижения поставленной цели [1,2]. По замыслу авторов, понятие режим характеризуется не столько изменением определенного показателя во времени, сколько требованием к оптимальному диапазону или норме в критические периоды времени (темпоральные изменения) в различных территориальных локациях (пространственные изменения) [2,3]. При этом цели мелиоративного воздействия могут быть достигнуты только при выполнении определенного целостного набора экологических требований и критериев оптимального функционирования, которым должна удовлетворять система мелиоративных мероприятий.
К основным показателям, определяющим мелиоративный режим в условиях избыточного и неустойчивого увлажнения, в общем случае предлагается относить:
- Допустимые пределы регулирования влажности почвы в корнеобитаемом слое;
- Допустимые пределы глубин грунтовых вод;
- Допустимое направление и интенсивность водообмена между корнеобитаемым слоем почвы и грунтовыми водами;
- Допустимые пределы содержания токсичных солей и реакции среды (рН);
- Допустимый баланс органического вещества/гумуса и питательных веществ;
- Допустимая минерализация поливных вод и соотношение в ней катионов натрия, кальций, магния;
- Допустимые пределы количества и качества сбросных вод с мелиоративных систем.
В практической области мелиорации и природопользования основные трудности связаны с установлением допустимых пределов регулирования отдельных параметров и критериев состояния и оценки эффективности системы мелиоративных мероприятий. При этом наиболее разработанными являются вопросы агроэкологии [4,5,8,9] и мелиоративной науки в части требований к факторам роста растений, т.е. показателям водновоздушного и пищевого режимов, в то время как требования к факторам почвообразования и воздействия на окружающую природную среду (ОПС) изучены недостаточно. В связи с изложенным целью настоящей работы является оценка мелиоративного воздействия на ОПС, включая воздействие гидромелиоративных отходов, к которым относятся, прежде всего, дренажный сток и эмиссия углекислого газа.
Торфяноболотные почвы обладают высоким потенциальным плодородием, превосходят по этому показателю черноземы. Одновременно эти почвы при осушении подвержены ускоренной минерализации органического вещества (ОВ), уплотнению, деградации и риску полной утраты торфяного слоя. Минерализация торфа усиливается с севера на юг и сопровождается повышением плотности, и понижением поверхности торфа в 1040 раз превышающим торфонакопление [3,6,9]. Поэтому актуальной задачей регулирования мелиоративного режима является поиск компромисса между повышением продуктивности торфяных почв и продлением срока их жизни.
Материалы и методы. Методической основой теоретических исследований является системный анализ, законы земледелия и экологии, балансовый метод, как выражение закона сохранения материи. Апробация результатов выполнена на основе мониторинга и анализа материалов экспериментальных результатов на мелиоративноболотных стационарах Мещерской низменности.
Результаты и обсуждение. В качестве базового экологического ограничения мелиоративного воздействия на ОПС может быть принято требование поддержания экологической ситуации в пределах от экологическая нормы (Н) до экологического риска (Р) [6,8]. В качестве критериев для оценки рассматриваются показатели устойчивости агроэкосистем, уровень загрязнения, здоровье населения и продуктивность мелиорируемого агроландшафта (табл. 1).
Таблица .1 Классы состояний и зоны нарушений
|
Устойчивость агроэкосистем |
Уровень загрязнения |
Здоровье населения |
Продуктивность агроландшафтов и деградация почв |
|
Экологическая норма (Н) или класс удовлетворительного (благоприятного) состояния ОПС |
|||
|
Стабильное устойчивое состояние |
Значение прямых критериев оценки близко к фону и заметно ниже ПДК |
Удовлетворительное |
Снижение продуктивности не тестируется. Деградация земель менее 5% площади |
|
Экологический риск (Р) или класс условно удовлетворительного (неблагоприятного) состояния ОПС |
|||
|
Обратимые нарушения, заметное снижение устойчивости |
Значение прямых критериев оценки близко к ПДК |
Частичное ухудшение здоровья (раздражение) |
Заметное снижение продуктивности Деградация земель 5–20% площади |
|
Экологический кризис (К) или класс неудовлетворительного состояния ОПС (чрезвычайная экологическая ситуация) |
|||
|
Трудно обратимые нарушения, потеря устойчивости |
Значение прямых критериев оценки значительно превышает ПДК |
Серьезная угроза здоровью (хронические заболевания) |
Сильное снижение продуктивности Деградация земель 20–50% площади |
|
Экологическое бедствие —катастрофа (Б) или класс катастрофического состояния ОПС |
|||
|
Глубокие необратимые нарушения, разрушение естественных экосистем, потеря генофонда |
Значение прямых критериев оценки многократно превышает ПДК |
Значительное Ухудшение здоровья (острые заболевания, летальный исход) |
Полная потеря продуктивности Деградация земель более 50% площади |
В случае возникновения экологического кризиса следует принимать меры экологизации технологий, не допуская дальнейшего ухудшения к состоянию экологического бедствия.
Размер уменьшения технологических мелиоративных норм (осушения, увлажнения и др.) предлагается обосновывать сравнительным экологоэкономическим расчетом. При этом ущерб от снижения урожайности сельскохозяйственных культур от снижения мелиоративного воздействия не должен превышать ущерба в окружающей среде, который возник бы при реализации традиционных или интенсивных мелиоративных норм:
, (1)
где 
ущерб от снижения урожайности сельскохозяйственных культур при уменьшении норм осушения или увлажнения; 
ущерб в окружающей природной среде (в границах гидромелиоративной системы и в зоне ее внешнего влияния) при реализации нормы осушения, обеспечивающей максимальную урожайность сельскохозяйственных культур.
Второе направление экологоэкономических ограничений предлагается формировать на основе закона убывающей отдачи (А. Тюрго — Т. Мальтуса) [8]. В этом случае универсальным комплексным критерием является оптимизация ресурсоемкости или обратной ей величины ресурсоотдачи. Наряду с энергией, почвой, водой и агрохимикатами для торфяноболотных почв добавляется важнейший ресурс – органическое вещество торфа, которое подвергается минерализации. Математическое выражение для этих критериев может быть записано в следующем виде:
(2)
где Rре – ресурсоемкость или удельный расход природного ресурса на единицу валовой продукции; Bn –расход природного ресурса, ед. массы или объема; Vn объем валовой продукции, ед. массы или объема.
Применение критериев (2) показывает, что зависимость ресурсоемкости от норм увлажнения для конкретных изученных условий описывается экспоненциальной зависимостью. Практический вывод состоит в том, что в первую очередь нужно увеличивать интенсивность фактора, который находится в минимуме (закон Ю.Либиха).
В отношении водных ресурсов и энергии ограничения предлагается осуществлять на основе предельной экологически обоснованной оросительной нормы, которая определяется с учетом гидротермического коэффициента и не должна превышать количество влаги, которое вместе с осадками может быть ассимилировано в процессе фотосинтеза при имеющемся притоке солнечной энергии [1,6 и др.]:
, (3)
где
гидротермический коэффициент; R – радиационный баланс поверхности почвы, кДж/см2; ε –доля увеличения R от мелиораций; L скрытая теплота парообразования, кДж/см2 в год на
Ограничения проектных значений оросительных норм для южной части Нечерноземной зоны были определены нами ранее для оптимального значения ГТК= 0,91,1 и приведены в табл.2.
Таблица 2. Предельные значения оросительных норм для оптимального диапазона гидротермического режима (0,9 ≤ 
≤ 1,1)
|
Гидротермический коэффициент, |
Гидротермическая характеристика лет |
||
|
влажный и холодный |
средний |
засушливый |
|
|
0,9 |
0 |
90 |
225 |
|
1,0 |
0 |
25 |
155 |
|
1,1 |
0 |
0 |
100 |
Этим требованиям отвечают природоохранные оросительные нормы [6]. Ранее применявшиеся традиционные (биологически оптимальные) нормы превышают предельные значения и могут привести к снижению ресурсоотдачи. Совместное соблюдение требований (2) и (3) обеспечивает не только снижение затрат воды не увлажнение, но и ослабление промывного водного режима осушаемых почв, что является одним из ключевых требований мелиоративного режима.
Основными прямыми отходами гидромелиорации, определяющими ингредиентное загрязнение окружающей природной среды (ОПС) являются дренажный сток и эмиссия диоксида углерода. Последняя приобретает особую актуальность в случае осушения торфяноболотных почв, когда минерализация органического вещества осушенного торфа сменяет процесс накопления органического вещества в естественных условиях. В результате происходит загрязнение углекислым газом атмосферы и водной среды.
Оценка трансформации осушаемых болотных агроландшафтов с учетом ранее полученных результатов приведена в табл.3.
Таблица 3. Экологическая оценка трансформации осушаемых болотных агроландшафтов
|
Показатели |
Уровни экологического состояния |
|||
|
Норма |
Риск |
Кризис |
Бедствие |
|
|
1. Водный режим корнеобитаемого слоя |
||||
|
1.1 Влажность корнеобитаемого слоя почвы, % от полной влагоемкости: |
||||
|
а) полевые севообороты |
65…85 |
55…65 |
50…55 |
менее 50 |
|
б) овощные севообороты |
70…80 |
60…70 |
55…60 |
менее 55 |
|
в) сенокосы и пастбища |
80…85 |
70…75 |
60…70 |
менее 60 |
|
1.2 Сезонная норма увлажнения, мм |
60…155 |
160…240 |
250…300 |
более 300 |
|
2. Трансформация торфа |
||||
|
2.1 Сработка слоя торфа в период стабилизации (первые 2…3 года после осушения) |
менее 2 |
2…4 |
4…10 |
более 10 |
|
2.2 В последующие годы |
менее 1 |
1…2 |
2…4 |
более 4 |
|
2.3 Скорость минерализации органического вещества торфа, т/га в год |
менее 10 |
10…15 |
16…20 |
более 20 |
|
3. Воздействие на прилегающие природные объекты |
||||
|
3.1 Прилегающие земли |
||||
|
а) зона понижения уровня грунтовых вод, км |
до 0,5 |
0,5…1 |
1,0…1,5 |
более 1,5 |
|
б)зона изменения влажности почв, км |
до 0,1 |
0,1…0,3 |
0,3…0,5 |
более 0,5 |
|
3.2 Мероприятия по регулированию водоприемника |
отсут ствуют |
обвало вание |
спрям ление |
спрямление и углубление |
|
3.3 Воздействие на качество поверхностных вод |
||||
|
а) концентрация загрязняющих веществ |
< ПДК |
≤ ПДК |
> ПДК |
> 3 ПДК |
|
б) при объемах дренажного стока |
< ПДС |
> ПДС |
< ПДС |
> ПДС |
|
в) степень утилизации дренажных вод на увлажнение осушаемых земель, % |
более 50 |
3050 |
менее 25 |
0 |
Оценка дренажного стока производится с учетом его объема относительно предельнодопустимых сбросов (ПДС), концентрации загрязняющих веществ в дренажных водах относительно предельнодопустимой концентрации (ПДК) и степени утилизации дренажных вод на увлажнение осушаемых земель. Ограничения к трансформации торфа устанавливается по интенсивности минерализации торфа и понижению его поверхности, которое не должно превышать 12 см/год для обеспечения экологической нормы и 24 см год для непревышения экологического риска (см. тал. 3). Полученные нами значения потерь массы торфа и связанные с ними потери углерода и показатели эмиссии углекислого газа в зависимости от степени осушения позволяют рекомендовать для обеспечения экологической нормы минерализацию ОВ до 10 т/га, для экологического риска до 15 т/га [7].
Для снижения потерь органического вещества торфа его влажность необходимо увеличивать (поддерживать ближе к верхней границе оптимальной влажности для сельскохозяйственных культур), а температуру корнеобитаемого слоя понижать. Из баланса ОВ торфа следует, что главными источниками компенсации потерь органического вещества в процессе осушения выступают мероприятия по внесению органических удобрений и сидеральные посевы бобовых культур и бобовозлаковых травосмесей.
Процессы минерализации торфа протекают быстрее в близкой к нейтральной среде (рН 66,5), а накопление торфа, наоборот, происходит в кислой среде (рН<5). При известковании происходит нейтрализующее действие карбонатов кальция и магния, которое заключается в их взаимодействии с раствором углекислого газа (угольной кислотой) почвенного раствора с постепенным образованием растворимых гидрокарбонатов, являющихся гидролитически щелочными солями.
С учетом изложенного разработаны методы и способы управления минерализацией органического вещества осушаемых торфяных почв, направленные на предотвращение и ослабление минерализации торфа или на усиления процесса накопления органического вещества, и которые позволяют проектировать современные мелиоративные системы, отвечающие экологическим требованиям (табл. 4).
Таблица 4. Методы и способы управления минерализацией органического вещества осушаемых торфяных почв
|
Методы |
Способы |
|
I. Предотвращение процесса минерализации торфа (предотвращающие мероприятия) |
Сохранение болот Ренатурализация осушенных болот |
|
II. Ослабление процесса |
Уменьшение интенсивности мелиоративного воздействия (норм осушения, увлажнения и др.) Увлажнение осушаемых земель Ослабление промывного водного режима Повышение водоудерживающей способности торфа Уменьшение температуры торфа Регулирование кислотношелочного баланса Насыщение севооборотов многолетними травами, бобовозлаковыми травосмесями Ингибирование минерализации и нитрификации торфа |
|
III. Усиление процесса |
Повторное использование ДВ на увлажнение Внесение органических удобрений Внесение комплексных мелиорантов Регулирование ПБК Внесение микробиологических удобрений Промежуточные посевы сидеральных культур |
При внесении полной дозы извести в кислую почву устраняется актуальная и обменная кислотность, снижается гидролитическая кислотность, уменьшается содержание подвижных форм токсичных для растений алюминия, железа, марганца и тяжелых металлов меди, свинца, мышьяка. Учитывая, что при известковании создаются более благоприятные условия для почвеннобиотического комплекса (ПБК), минерализация в нейтральной среде протекает более интенсивно и затухает с понижением рНиндекса.
Появление в почвенном растворе катионов Са2+ и Мg2+ приводит к вытеснению из ППК катионов водорода, алюминия, железа, марганца. Карбонаты кальция и магния взаимодействуют с гуминовыми, фульвокислотами, аминокислотами и другими органическими и минеральными кислотами почвы, что сопровождается выделением углекислого газа.
Заключение
Предложена система показателей экологических ограничений мелиоративного воздействия на природную среду, включающая классы состояния (нормариск), ограничение скорости минерализации торфа (понижение поверхности и потерю органического вещества), оптимизацию ущерба, ограничение оросительной нормы, оптимизацию ресурсоемкости.
Разработаны методы и способы управления минерализацией органического вещества осушаемых торфяных почв, направленные на предотвращение и ослабление минерализации торфа или на усиления процесса накопления органического вещества и которые позволяют проектировать современные мелиоративные системы, отвечающие экологическим требованиям.
Практическое применение мелиоративного режима и экологических ограничений позволяет оптимизировать затраты всех видов ресурсов, снизить мелиоративное воздействие на ОПС, уменьшить нормы увлажнения и ослабить промывной водные режим осушаемых торфяных почв.
Современная экологомелиоративная парадигма характеризуется понятийным ядром, включающим комплексные мелиорации и мелиоративный режим, предложенный А.И. Головановым и И.П. Айдаровым как совокупность требований к управляемым факторам почвообразования, роста растений и воздействия на окружающую среду, которые должна обеспечить система мелиоративных мероприятий для достижения поставленной цели [1,2]. По замыслу авторов, понятие режим характеризуется не столько изменением определенного показателя во времени, сколько требованием к оптимальному диапазону или норме в критические периоды времени (темпоральные изменения) в различных территориальных локациях (пространственные изменения) [2,3]. При этом цели мелиоративного воздействия могут быть достигнуты только при выполнении определенного целостного набора экологических требований и критериев оптимального функционирования, которым должна удовлетворять система мелиоративных мероприятий.
К основным показателям, определяющим мелиоративный режим в условиях избыточного и неустойчивого увлажнения, в общем случае предлагается относить:
- Допустимые пределы регулирования влажности почвы в корнеобитаемом слое;
- Допустимые пределы глубин грунтовых вод;
- Допустимое направление и интенсивность водообмена между корнеобитаемым слоем почвы и грунтовыми водами;
- Допустимые пределы содержания токсичных солей и реакции среды (рН);
- Допустимый баланс органического вещества/гумуса и питательных веществ;
- Допустимая минерализация поливных вод и соотношение в ней катионов натрия, кальций, магния;
- Допустимые пределы количества и качества сбросных вод с мелиоративных систем.
В практической области мелиорации и природопользования основные трудности связаны с установлением допустимых пределов регулирования отдельных параметров и критериев состояния и оценки эффективности системы мелиоративных мероприятий. При этом наиболее разработанными являются вопросы агроэкологии [4,5,8,9] и мелиоративной науки в части требований к факторам роста растений, т.е. показателям водновоздушного и пищевого режимов, в то время как требования к факторам почвообразования и воздействия на окружающую природную среду (ОПС) изучены недостаточно. В связи с изложенным целью настоящей работы является оценка мелиоративного воздействия на ОПС, включая воздействие гидромелиоративных отходов, к которым относятся, прежде всего, дренажный сток и эмиссия углекислого газа.
Торфяноболотные почвы обладают высоким потенциальным плодородием, превосходят по этому показателю черноземы. Одновременно эти почвы при осушении подвержены ускоренной минерализации органического вещества (ОВ), уплотнению, деградации и риску полной утраты торфяного слоя. Минерализация торфа усиливается с севера на юг и сопровождается повышением плотности, и понижением поверхности торфа в 1040 раз превышающим торфонакопление [3,6,9]. Поэтому актуальной задачей регулирования мелиоративного режима является поиск компромисса между повышением продуктивности торфяных почв и продлением срока их жизни.
Материалы и методы. Методической основой теоретических исследований является системный анализ, законы земледелия и экологии, балансовый метод, как выражение закона сохранения материи. Апробация результатов выполнена на основе мониторинга и анализа материалов экспериментальных результатов на мелиоративноболотных стационарах Мещерской низменности.
Результаты и обсуждение. В качестве базового экологического ограничения мелиоративного воздействия на ОПС может быть принято требование поддержания экологической ситуации в пределах от экологическая нормы (Н) до экологического риска (Р) [6,8]. В качестве критериев для оценки рассматриваются показатели устойчивости агроэкосистем, уровень загрязнения, здоровье населения и продуктивность мелиорируемого агроландшафта (табл. 1).
Таблица .1 Классы состояний и зоны нарушений
|
Устойчивость агроэкосистем |
Уровень загрязнения |
Здоровье населения |
Продуктивность агроландшафтов и деградация почв |
|
Экологическая норма (Н) или класс удовлетворительного (благоприятного) состояния ОПС |
|||
|
Стабильное устойчивое состояние |
Значение прямых критериев оценки близко к фону и заметно ниже ПДК |
Удовлетворительное |
Снижение продуктивности не тестируется. Деградация земель менее 5% площади |
|
Экологический риск (Р) или класс условно удовлетворительного (неблагоприятного) состояния ОПС |
|||
|
Обратимые нарушения, заметное снижение устойчивости |
Значение прямых критериев оценки близко к ПДК |
Частичное ухудшение здоровья (раздражение) |
Заметное снижение продуктивности Деградация земель 5–20% площади |
|
Экологический кризис (К) или класс неудовлетворительного состояния ОПС (чрезвычайная экологическая ситуация) |
|||
|
Трудно обратимые нарушения, потеря устойчивости |
Значение прямых критериев оценки значительно превышает ПДК |
Серьезная угроза здоровью (хронические заболевания) |
Сильное снижение продуктивности Деградация земель 20–50% площади |
|
Экологическое бедствие —катастрофа (Б) или класс катастрофического состояния ОПС |
|||
|
Глубокие необратимые нарушения, разрушение естественных экосистем, потеря генофонда |
Значение прямых критериев оценки многократно превышает ПДК |
Значительное Ухудшение здоровья (острые заболевания, летальный исход) |
Полная потеря продуктивности Деградация земель более 50% площади |
В случае возникновения экологического кризиса следует принимать меры экологизации технологий, не допуская дальнейшего ухудшения к состоянию экологического бедствия.
Размер уменьшения технологических мелиоративных норм (осушения, увлажнения и др.) предлагается обосновывать сравнительным экологоэкономическим расчетом. При этом ущерб от снижения урожайности сельскохозяйственных культур от снижения мелиоративного воздействия не должен превышать ущерба в окружающей среде, который возник бы при реализации традиционных или интенсивных мелиоративных норм:
, (1)
где ущерб от снижения урожайности сельскохозяйственных культур при уменьшении норм осушения или увлажнения; ущерб в окружающей природной среде (в границах гидромелиоративной системы и в зоне ее внешнего влияния) при реализации нормы осушения, обеспечивающей максимальную урожайность сельскохозяйственных культур.
Второе направление экологоэкономических ограничений предлагается формировать на основе закона убывающей отдачи (А. Тюрго — Т. Мальтуса) [8]. В этом случае универсальным комплексным критерием является оптимизация ресурсоемкости или обратной ей величины ресурсоотдачи. Наряду с энергией, почвой, водой и агрохимикатами для торфяноболотных почв добавляется важнейший ресурс – органическое вещество торфа, которое подвергается минерализации. Математическое выражение для этих критериев может быть записано в следующем виде:
(2)
где Rре – ресурсоемкость или удельный расход природного ресурса на единицу валовой продукции; Bn –расход природного ресурса, ед. массы или объема; Vn объем валовой продукции, ед. массы или объема.
Применение критериев (2) показывает, что зависимость ресурсоемкости от норм увлажнения для конкретных изученных условий описывается экспоненциальной зависимостью. Практический вывод состоит в том, что в первую очередь нужно увеличивать интенсивность фактора, который находится в минимуме (закон Ю.Либиха).
В отношении водных ресурсов и энергии ограничения предлагается осуществлять на основе предельной экологически обоснованной оросительной нормы, которая определяется с учетом гидротермического коэффициента и не должна превышать количество влаги, которое вместе с осадками может быть ассимилировано в процессе фотосинтеза при имеющемся притоке солнечной энергии [1,6 и др.]:
, (3)
где гидротермический коэффициент; R – радиационный баланс поверхности почвы, кДж/см2; ε –доля увеличения R от мелиораций; L скрытая теплота парообразования, кДж/см2 в год на
Ограничения проектных значений оросительных норм для южной части Нечерноземной зоны были определены нами ранее для оптимального значения ГТК= 0,91,1 и приведены в табл.2.
Таблица 2. Предельные значения оросительных норм для оптимального диапазона гидротермического режима (0,9 ≤ ≤ 1,1)
|
Гидротермический коэффициент, |
Гидротермическая характеристика лет |
||
|
влажный и холодный |
средний |
засушливый |
|
|
0,9 |
0 |
90 |
225 |
|
1,0 |
0 |
25 |
155 |
|
1,1 |
0 |
0 |
100 |
Этим требованиям отвечают природоохранные оросительные нормы [6]. Ранее применявшиеся традиционные (биологически оптимальные) нормы превышают предельные значения и могут привести к снижению ресурсоотдачи. Совместное соблюдение требований (2) и (3) обеспечивает не только снижение затрат воды не увлажнение, но и ослабление промывного водного режима осушаемых почв, что является одним из ключевых требований мелиоративного режима.
Основными прямыми отходами гидромелиорации, определяющими ингредиентное загрязнение окружающей природной среды (ОПС) являются дренажный сток и эмиссия диоксида углерода. Последняя приобретает особую актуальность в случае осушения торфяноболотных почв, когда минерализация органического вещества осушенного торфа сменяет процесс накопления органического вещества в естественных условиях. В результате происходит загрязнение углекислым газом атмосферы и водной среды.
Оценка трансформации осушаемых болотных агроландшафтов с учетом ранее полученных результатов приведена в табл.3.
Таблица 3. Экологическая оценка трансформации осушаемых болотных агроландшафтов
|
Показатели |
Уровни экологического состояния |
|||
|
Норма |
Риск |
Кризис |
Бедствие |
|
|
1. Водный режим корнеобитаемого слоя |
||||
|
1.1 Влажность корнеобитаемого слоя почвы, % от полной влагоемкости: |
||||
|
а) полевые севообороты |
65…85 |
55…65 |
50…55 |
менее 50 |
|
б) овощные севообороты |
70…80 |
60…70 |
55…60 |
менее 55 |
|
в) сенокосы и пастбища |
80…85 |
70…75 |
60…70 |
менее 60 |
|
1.2 Сезонная норма увлажнения, мм |
60…155 |
160…240 |
250…300 |
более 300 |
|
2. Трансформация торфа |
||||
|
2.1 Сработка слоя торфа в период стабилизации (первые 2…3 года после осушения) |
менее 2 |
2…4 |
4…10 |
более 10 |
|
2.2 В последующие годы |
менее 1 |
1…2 |
2…4 |
более 4 |
|
2.3 Скорость минерализации органического вещества торфа, т/га в год |
менее 10 |
10…15 |
16…20 |
более 20 |
|
3. Воздействие на прилегающие природные объекты |
||||
|
3.1 Прилегающие земли |
||||
|
а) зона понижения уровня грунтовых вод, км |
до 0,5 |
0,5…1 |
1,0…1,5 |
более 1,5 |
|
б)зона изменения влажности почв, км |
до 0,1 |
0,1…0,3 |
0,3…0,5 |
более 0,5 |
|
3.2 Мероприятия по регулированию водоприемника |
отсут ствуют |
обвало вание |
спрям ление |
спрямление и углубление |
|
3.3 Воздействие на качество поверхностных вод |
||||
|
а) концентрация загрязняющих веществ |
< ПДК |
≤ ПДК |
> ПДК |
> 3 ПДК |
|
б) при объемах дренажного стока |
< ПДС |
> ПДС |
< ПДС |
> ПДС |
|
в) степень утилизации дренажных вод на увлажнение осушаемых земель, % |
более 50 |
3050 |
менее 25 |
0 |
Оценка дренажного стока производится с учетом его объема относительно предельнодопустимых сбросов (ПДС), концентрации загрязняющих веществ в дренажных водах относительно предельнодопустимой концентрации (ПДК) и степени утилизации дренажных вод на увлажнение осушаемых земель. Ограничения к трансформации торфа устанавливается по интенсивности минерализации торфа и понижению его поверхности, которое не должно превышать 12 см/год для обеспечения экологической нормы и 24 см год для непревышения экологического риска (см. тал. 3). Полученные нами значения потерь массы торфа и связанные с ними потери углерода и показатели эмиссии углекислого газа в зависимости от степени осушения позволяют рекомендовать для обеспечения экологической нормы минерализацию ОВ до 10 т/га, для экологического риска до 15 т/га [7].
Для снижения потерь органического вещества торфа его влажность необходимо увеличивать (поддерживать ближе к верхней границе оптимальной влажности для сельскохозяйственных культур), а температуру корнеобитаемого слоя понижать. Из баланса ОВ торфа следует, что главными источниками компенсации потерь органического вещества в процессе осушения выступают мероприятия по внесению органических удобрений и сидеральные посевы бобовых культур и бобовозлаковых травосмесей.
Процессы минерализации торфа протекают быстрее в близкой к нейтральной среде (рН 66,5), а накопление торфа, наоборот, происходит в кислой среде (рН<5). При известковании происходит нейтрализующее действие карбонатов кальция и магния, которое заключается в их взаимодействии с раствором углекислого газа (угольной кислотой) почвенного раствора с постепенным образованием растворимых гидрокарбонатов, являющихся гидролитически щелочными солями.
С учетом изложенного разработаны методы и способы управления минерализацией органического вещества осушаемых торфяных почв, направленные на предотвращение и ослабление минерализации торфа или на усиления процесса накопления органического вещества, и которые позволяют проектировать современные мелиоративные системы, отвечающие экологическим требованиям (табл. 4).
Таблица 4. Методы и способы управления минерализацией органического вещества осушаемых торфяных почв
|
Методы |
Способы |
|
I. Предотвращение процесса минерализации торфа (предотвращающие мероприятия) |
Сохранение болот Ренатурализация осушенных болот |
|
II. Ослабление процесса |
Уменьшение интенсивности мелиоративного воздействия (норм осушения, увлажнения и др.) Увлажнение осушаемых земель Ослабление промывного водного режима Повышение водоудерживающей способности торфа Уменьшение температуры торфа Регулирование кислотношелочного баланса Насыщение севооборотов многолетними травами, бобовозлаковыми травосмесями Ингибирование минерализации и нитрификации торфа |
|
III. Усиление процесса |
Повторное использование ДВ на увлажнение Внесение органических удобрений Внесение комплексных мелиорантов Регулирование ПБК Внесение микробиологических удобрений Промежуточные посевы сидеральных культур |
При внесении полной дозы извести в кислую почву устраняется актуальная и обменная кислотность, снижается гидролитическая кислотность, уменьшается содержание подвижных форм токсичных для растений алюминия, железа, марганца и тяжелых металлов меди, свинца, мышьяка. Учитывая, что при известковании создаются более благоприятные условия для почвеннобиотического комплекса (ПБК), минерализация в нейтральной среде протекает более интенсивно и затухает с понижением рНиндекса.
Появление в почвенном растворе катионов Са2+ и Мg2+ приводит к вытеснению из ППК катионов водорода, алюминия, железа, марганца. Карбонаты кальция и магния взаимодействуют с гуминовыми, фульвокислотами, аминокислотами и другими органическими и минеральными кислотами почвы, что сопровождается выделением углекислого газа.
Заключение
Предложена система показателей экологических ограничений мелиоративного воздействия на природную среду, включающая классы состояния (нормариск), ограничение скорости минерализации торфа (понижение поверхности и потерю органического вещества), оптимизацию ущерба, ограничение оросительной нормы, оптимизацию ресурсоемкости.
Разработаны методы и способы управления минерализацией органического вещества осушаемых торфяных почв, направленные на предотвращение и ослабление минерализации торфа или на усиления процесса накопления органического вещества и которые позволяют проектировать современные мелиоративные системы, отвечающие экологическим требованиям.
Практическое применение мелиоративного режима и экологических ограничений позволяет оптимизировать затраты всех видов ресурсов, снизить мелиоративное воздействие на ОПС, уменьшить нормы увлажнения и ослабить промывной водные режим осушаемых торфяных почв.
1. Айдаров И. П. Оптимизация мелиоративных режимов ороша-емых и осушаемых сельскохозяйственных земель/ И. П. Айдаров, А. И. Голованов, Ю. Н. Никольский– М.: Агропромиздат, 1990 – 60 с.
2. Голованов, А.И. Мелиорация земель / А.И. Голованов, И.П. Айдаров, М.С. Григоров и др.; под ред. А.И. Голованова. М.: КолосС, 2011. 824 с. ISВN 9785953207522.
3. Зайдельман Ф.Р. Генезис и экологические основы мелиорации почв и ландшафтов: учебник. М.: КДУ,2009. – 720 с.
4. Иванов Д. А. Ландшафтномелиоративные системы земледелия – новый этап экологизации сельскохозяйственного производства // Международный научноисследовательский журнал. 2017. № 9 (63). Ч. 2. С. 96100.
5. Кирюшин В.И. Экологические основы проектирования сель-скохозяйственных ландшафтов: учебник. – СПб.: ООО «Квадро», 2018. 568 с. ISBN 9785906371951.
6. Пыленок П. И. Агромелиоративное природопользование. Научнотехнологические и экологические основы: монография. М.: ВНИИГиМ 2022– 215 с. DOI:https://doi.org/10.37738/VNIIGIM.2022.94.88.001.
7. Пыленок П. И. Способ определения суммарной потери углеро-да и интегральной эмиссии диоксида углерода при осушении болот/ Патент RU 2804735, опубл. 04.10.2023.
8. Черников В.А. Агроэкология/В. А. Черников, Р. М. Алексахин, А. В. Голубев [и др.]; Под ред. В. А. Черникова, А. И. Чекереса. – М.: Колос, 2000. 536 с.
9. Экологический мониторинг мелиорируемых земель и мелиора-тивных систем: монография / Под ред. В.А.Шевченко. М.: Издатель-ство ФГБНУ «ВНИИГиМ им. А.Н.Костякова», 2018. 343 с.
