Мелиоративный комплекс для сохранения агроресурсного потенциала и охраны сельскохозяйственных земель
На правах рукописи
Дьяченко Николай Павлович
МЕЛИОРАТИВНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ АГРОРЕСУРСНОГО
ПОТЕНЦИАЛА И ОХРАНЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ
06.01.02 –Мелиорация, рекультивация и охрана земель
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Волгоград 2010
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»
Научный консультант: доктор технических наук,
профессор, Заслуженный деятель науки РФ
Кузнецов Евгений Владимирович
Официальные оппоненты: академик РАСХН, доктор технических наук, профессор,
Заслуженный деятель науки и техники РФ
Григоров Михаил Стефанович
доктор технических наук, профессор Гумбаров Анатолий
Дмитриевич
доктор технических наук, профессор Кравчук Алексей
Владимирович
Ведущая организация – ГНУ «Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий» РАСХН
Защита состоится «19» апреля 2010 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д220.008.02 в ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 400002, г. Волгоград, проспект Университетский, 26, ауд. 214, факс (8442) 41-17-84.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО ВГСХА, с авторефератом – на сайте Федеральной службы по надзору в сфере образования и науки Минобразования и науки РФ www.vak.ed.gov.ru. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный подписью предприятия просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.
Автореферат разослан «__» _________ 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
профессор Ряднов А.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В современных условиях развивающего сельскохозяйственного производства Российской Федерации с помощью прогрессивной техники, внедрения новых технологий возделывания культур, химизации и мелиорации земледелия необходимо сохранять и постоянно повышать плодородие почвы. Высокие и конкурентно способные урожаи основных культур при интегрировании сельского хозяйства в мировую экономику будут определять продовольственную безопасность страны.
Уменьшение площадей пахотных земель под действием различных негативных факторов (дефляции, засоления, закисления, иссушения, подтопления и переувлажнения земель) снижает социальное и экономическое развитие регионов. Недоборы урожаев отрицательно влияют на стабильность экономики в сельском хозяйстве. Одним из основных отрицательных факторов дестабилизации экономики в Кубанском регионе является деградация пахотных земель от подтопления.
В Краснодарском крае в 2007г было выведено из севооборота по причине переувлажнения 19,1% пашни. Но особенно остро данное явление проявляется в центральной степной части Азово-Кубанского бассейна Краснодарского края, где в этом же году было подвержено воздействию от подтопления 27,8% сельскохозяйственных земель. По причине подтопления ежегодно списывается более 10% посевов сельскохозяйственных культур или в абсолютном выражении около 200 тыс. га пашни Краснодарского края.
Недоборы урожая негативно отражаются на современном уровне возделывания сельскохозяйственных культур и животноводства. Повышение рентабельности сельскохозяйственного производства в регионе за счет сохранения плодородия почв, возможно, достичь только научно обоснованным подходом применения мелиоративного комплекса для охраны земель от подтопления. Под мелиоративным комплексом для охраны агроландшафтов от подтопления будем понимать устойчивые связи между земельными ресурсами и водными объектами по обеспечению оптимальных условий функционирования техноприродной и средовоспроизводящей экосистемы. Для разрешения данной проблемы необходимо оптимизировать мелиоративный комплекс, в котором следует рассматривать: мелиорируемые агроландшафты; водные объекты и ресурсы; мелиоративные приемы обработки почвы; состав мелиоративных машин; осушительные каналы и коллектора различных порядков; главные коллектора; водоотводы и водоприемники, как единое целое.
Потеря плодородия черноземных почв, вследствие подтопления, может обернуться катастрофой для агропромышленного комплекса, которая отразится на продовольственной безопасности Кубанского региона и в целом для страны. В основу научного обоснования мелиоративного комплекса для сохранения агроресурсного потенциала и охраны сельскохозяйственных земель положена Федеральная целевая программа «Сохранение и восстановление плодородия почв, земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов, как национального достояния России на 2006-10гг.».
Таким образом, проблема, решаемая в работе путем обоснования мелиоративного комплекса для сохранения агроресурсного потенциала и охраны сельскохозяйственных земель от подтопления, позволит повысить валовой сбор урожая основных возделываемых культур при экономии энергоресурсов на территории Азово-кубанского бассейна.
Исследования базируются на научных и практических результатах ученых в области мелиорации и охраны земель: С.Ф. Аверьянова, А.И. Голованова, И.П. Айдарова, Б.Б. Шумакова, И.П. Кружилина, М.С. Григорова, В.Н. Щедрина, Н.С. Тура, Е.В. Кузнецова, И.Д. Черниченко, Г.В. Шевченко и др.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научных исследований ФГУО ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по госбюджетным темам (№ 01200113456, 2001-05гг., № 01.2.006-6831, 2006-10гг.).
Цель исследований.
Обоснование мелиоративного комплекса для сохранения агроресурсного потенциала и охраны сельскохозяйственных земель от подтопления, развития агроландшафтов, экономии энергоресурсов, с учетом особенностей возделывания основных культур.
Предмет исследования - закономерности и связи между природными и антропогенными факторами, воздействующие на состояние техноприродной и средовоспроизводящей экосистемы.
Задачи исследований.
1. Установить причины подтопления и переувлажнения сельскохозяйственных земель с учетом особенностей возделывания основных культур в Усть-Лабинском, Кореновском, Тимашевском, Калининском и Динском районах Краснодарского края (далее Азово-Кубанский бассейн).
2. Установить влияние гидротермического режима, дефицита водопотребления и различных типов подтопления на урожайность основных сельскохозяйственных культур (озимая пшеница, кукуруза, озимый ячмень, подсолнечник, соя, сахарная свекла) агроландшафтов бассейна.
3. Обосновать выбор типовых участков (полигонов) на агроландшафтах с учетом воздействия природных и антропогенных факторов на почвы для разработки мероприятий сохранения агроресурсного потенциала и охраны сельскохозяйственных земель от подтопления в бассейне.
4. Исследовать на типовых участках бассейна динамику уровня грунтовых вод, влияние подтопления на изменение влажности почв, коэффициент фильтрации в зависимости от антропогенных и природных факторов для обоснования выбора технологических параметров обработки почвы.
5. Установить границу влажности почвы, при которой наступает подтопление сельскохозяйственных земель для подбора комплекса мелиоративных машин.
6. Обосновать состав мелиоративного комплекса машин для обработки почвы, который обеспечивает экологическую безопасность сельскохозяйственных земель в зависимости от типа подтопления.
7. Разработать технологические операции обработки почвы комплексом мелиоративных машин для экологической безопасности и охраны сельскохозяйственных земель от подтопления.
8. Разработать математическую модель и программу оптимизации комплексных мероприятий обработки почвы в зависимости от предшествующей культуры, типа подтопления и дать экономическую оценку этим мероприятиям по охране сельскохозяйственных земель от подтопления.
9. Разработать варианты режима эксплуатации Кирпильского лимана и обосновать параметры водоотвода паводковых и сбросных вод через главные коллектора рисовой Кубанской оросительной системы для снижения подтопления сельскохозяйственных земель Азово-Кубанского бассейна.
Методика и объект исследований. В соответствии с программой проводимых исследований, предусматривалось выполнение полевых опытов, с использованием стандартных методик и средств измерений. Применение апробированных методов и большой объем полевых опытов с обработкой результатов исследований по стандартным компьютерным программам с использованием современных средств обработки информации подтверждают достоверность исследований. Полевые исследования проводились на типичных участках сельскохозяйственных земель подверженных подтоплению и переувлажнению на территории агроландшафтов Азово-Кубанского бассейна.
Научная новизна:
- зависимость урожайности основных культур (озимых и яровых культур, кукурузы на зерно, подсолнечника, сахарной свеклы и сои) от гидротермического режима для обоснования мелиоративного комплекса на агроландшафтах Азово – Кубанского бассейна;
- связь дефицита водопотребления с обеспеченностью осадками для основных культур на сельскохозяйственных землях подверженных подтоплению;
- параметры коэффициента фильтрации и влажности черноземных почв бассейна, при которых начинается процесс деградации сельскохозяйственных земель от подтопления и переувлажнения;
- алгоритм подбора комплекса мелиоративных машин и агрегатов для экологически безопасной обработки сельскохозяйственных земель, который включает 6 уровней;
- новая технологическая система по снижению негативного влияния подтопления на сельскохозяйственные земли, которая позволяет обосновать выбор схемы отвода избыточной влаги с подтопленных полей в зависимости от типа подтопления;
- математическая модель по оптимизации выбора мероприятий по снижению и предупреждению подтопления для экономии энергоресурсов и повышения урожайности основных культур степной части Кубани;
- параметры трассы водоотводящего тракта, обеспечивающие снижение подтопления и экологическую безопасность сельскохозяйственных земель территории Азово-Кубанского бассейна.
Практическая ценность. Разработаны практические рекомендации по эксплуатации Кирпильского лимана и обоснованы геометрические и гидравлические параметры водоотвода избыточных вод из лимана в Азовское море для охраны сельскохозяйственных земель от подтопления и экологической безопасности территории Азово-Кубанского бассейна.
Установлены основные факторы, которые приводят сельскохозяйственные земли к деградации от подтопления и переувлажнения на территории бассейна р. Кирпили. Обоснован комплекс мероприятий направленных на ликвидацию подтопления и предупреждение переувлажнения сельскохозяйственных земель бассейна.
Обоснованы агромелиоративные приемы и подобран комплект мелиоративных машин в зависимости от типа подтопления для выполнения работ по предупреждению и ликвидации подтопления сельскохозяйственных земель с учетом экономии энергоресурсов и получения гарантированного урожая основных сельскохозяйственных культу региона.
Исследовано влияние различных типов подтопления на урожай основных сельскохозяйственных культур: озимой пшеницы, сахарной свёклы, подсолнечника, кукурузы на зерно, ячменя и сои. Даны рекомендации по предпосевной обработке почвы для основных сельскохозяйственных культур на территории бассейна р. Кирпили, испытывающей переувлажнение.
Разработаны варианты состава комплексных технологических операций по обработке почв подтопляемых сельскохозяйственных земель с учетом различных сценариев переувлажнения почв. Для различных технологических операций обработки почвы подобраны комплекты почвообрабатывающей и мелиоративной техники и орудий для предупреждения подтопления сельскохозяйственных земель при возделывании основных культур региона.
Подбор почвообрабатывающей, мелиоративной техники и орудий выполнен с помощью компьютерной программы, позволяющей осуществлять диалог по выбору оптимального решения задачи по ликвидации и предупреждению подтопления сельскохозяйственных земель с учетом экономии энергоресурсов.
Апробация работы. Основные положения и материалы исследований докладывались и обсуждались: в районных управлениях сельского хозяйства бассейна р. Кирпили Краснодарского края в 2002-07гг.; на научно-технических совещаниях в Департаменте сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края в 2003-07 гг.; на научно-практических конференциях КГАУ г. Краснодар, 2005-07гг.; международной научно-практической конференции МСХ РФ (г. Москва, 2005г.); на научно-практической конференции ВСХА в г. Волгограде, 2005-07гг.; международной научно-практической конференции «Устойчивое производство риса: настоящее состояние и перспективы», г. Краснодар, 2006г; региональной научно-практической конференции «Сбалансированная система земледелия на аэроландшафтной основе», г. Краснодар, 2006г.; научно-практической конференции «Актуальные проблемы увеличения производства кормов, повышение качества и эффективности их использования», г. Краснодар, 2006г.; научно-практической конференции «День мелиоративного поля», ст. Динская Краснодарский край, международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы селекции, технологии и переработки масличных культур» г.Краснодар, 2007г.; международной научно-практической конференции «Производство, качество и рынок зерна России» г. Краснодар, 2007г.; международной научно-практической конференции «Биоресурсы, биотехнология, экологически безопасное развитие агропромышленного комплекса» г. Сочи, 2007г; 1-ой и 2-о1 международных научно-практических конференциях «Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия» г. Краснодар, 2008-09 гг.
На защиту выносятся:
- зависимость урожайности основных культур (озимых и яровых культур, кукурузы на зерно, подсолнечника, сахарной свеклы и сои) от антропогенных и природных факторов для обоснования мелиоративного комплекса с учетом морфологии агроландшафтов Азово – Кубанского бассейна;
- мониторинг уровня грунтовых вод, влияние подтопления на влажность почв для выбора комплекса технологических операций обработки переувлажняемых почв;
- параметры коэффициента фильтрации и влажности черноземных почв бассейна, обеспечивающие контроль над водно-воздушным режимом почв для охраны от подтопления сельскохозяйственных земель;
- связь урожайности основных культур (озимых и яровых культур, кукурузы на зерно, подсолнечника, сахарной свеклы и сои) с гидротермическим режимом и дефицитом водопотребления на агроландшафте бассейна;
- состав комплексных агромелиоративных мероприятий, которые обеспечивают сохранения агроресурсного потенциала сельскохозяйственных земель;
- технологические операции и комплекс мелиоративных машин для экологической безопасности и охраны сельскохозяйственных земель от подтопления;
- математическая модель и программа оптимизации комплексных операций обработки почвы в зависимости от предшествующей культуры, типа подтопления и экономическая эффективность мероприятий по охране и экологической безопасности сельскохозяйственных земель от подтопления;
- параметры водоотвода, соединяющего Кирпильский лиман и Азовское море, обеспечивающие снижение подтопления сельскохозяйственных земель и экологическую безопасность территории Азово - Кубанского бассейна.
Реализация результатов исследований. Для работников агропромышленного комплекса Краснодарского края по результатам исследований опубликовано 5 рекомендаций, которые широко используются сельхозтовапроизводителями при производстве основных культур растениеводства на сельскохозяйственных землях, испытывающих подтопление и переувлажнение.
Результаты исследований, проведенные в 2000-06гг. совместно с ОАО «Кубаньводпроект», реализованы в рабочем проекте «Улучшение отвода дренажно-сбросных вод с Кубанской рисовой системы в Краснодарском крае» и внедрены в Азово-Кубанском бассейне. Суммарный эколого-экономический эффект от внедрения комплекса мероприятий по отводу избыточных вод с территории бассейна составил 20000 тыс. руб. в ценах 2002г. Срок окупаемости комплекса мероприятий по отводу избыточных вод с территории Азово-Кубанского бассейна с учетом экономии ежегодных затрат составляет 6 лет. Нормативный срок окупаемости затрат на строительство данного объекта - 12 лет.
На основе выполненных собственных исследований разработаны комплексные мероприятия для экологической безопасности и охраны сельскохозяйственных земель от подтопления, которые внедрены на площади 480,9 тыс. га в центральной степной части Краснодарского края (бассейн р. Кирпили).
Результаты исследований опубликованы в 3 монографиях и учебном пособии, которые применяются государственными учреждениями РФ для проведения эколого-экономических и технических экспертиз проектов по охране и осушению сельскохозяйственных земель. Результаты исследований используются проектными организациями для разработки технических мероприятий отвода избыточных вод с сельскохозяйственных земель, применения почвообрабатывающей техники на переувлажняемых землях, выбора технологических операций при оптимизации энергозатрат на полях с учетом предшествующих культур в севооборотах.
Основные результаты исследований изложены на 279 страницах диссертационной работы, опубликованы в 40 печатных работах, в том числе 3 монографиях, учебном пособии, 10 научных печатных работах, в изданиях рекомендованных ВАК, 3 патентах на изобретения и свидетельстве об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Во введении раскрыта актуальность проблемы по сохранению агроресурсного потенциала и охраны сельскохозяйственных земель Азово-Кубанского бассейна, поставлена цель и сформулированы задачи исследований.
В первой главе «Проблема современного состояния сельскохозяйственных земель Краснодарского края» дается краткая характеристика современного состояния агроресурсного потенциала сельскохозяйственных земель бассейна р. Кирпили, который является составной частью Азово-Кубанского бассейна. Бассейн р. Кирпили находится в средней части степной зоны Краснодарского края в границах Усть-Лабинского, Кореновского, Динского, Тимашевского, Калининского районов. Агропромышленный комплекс бассейна является ведущим в Краснодарском крае по возделыванию зерновых, зернобобовых и технических культур.
Доля производства основных зерновых и зернобобовых культур степной зоны в территории бассейна составляет 14,8%, технических культур: сахарной свеклы- 11,7%; подсолнечника – 14.2%; сои - 30% от их общего сбора по Краснодарскому краю. Но в тоже время, площадь сельскохозяйственных земель бассейна сокращается. Одним из путей сохранения пашни, на наш взгляд, является повышения эффективности сельскохозяйственного производства основных культур региона. Анализ использования сельскохозяйственных угодий в бассейне р. Кирпили показал, что под влиянием естественных и антропогенных факторов, в основном, связанных с деградацией почв от переувлажнения и подтопления (заболачивания), происходит стабильное и существенное уменьшение пашни. Особенно явно эти явления проявляются в Динском, Тимашевском и Усть-Лабинском районах Краснодарского края. Для оценки воздействия подтопления на сельскохозяйственные земли выполнено сравнение показателей деградации сельскохозяйственных угодий Краснодарского края и бассейна р. Кирпили. Рост динамики переувлажненных сельскохозяйственных земель по районам бассейна представлен на рисунке 1.1, а общая тенденция деградации сельскохозяйственных земель от подтопления в бассейне и Краснодарском крае дана на рисунке 1.2.
Рисунок 1.1 –Рост динамики подтопленных и переувлажненных
сельскохозяйственных земель по районам бассейна р. Кирпили
Как видно из представленных данных размеры площадей переувлажненных и подтопленных сельскохозяйственных земель в бассейне р. Кирпили значительно превосходят аналогичный показатель в целом по Краснодарскому краю. Если в конце 2007г в бассейне р. Кирпили было подвержено воздействию подтопления 27,8% сельскохозяйственных земель, то в крае площадь таких земель значительно ниже и составляет всего 19,1%.
Для обоснования комплексных мероприятий были проанализированы природные и антропогенные факторы, влияющие на динамику роста подтопленных и переувлажнены сельскохозяйственных земель.
Рисунок 1.2 – Деградация сельскохозяйственных земель
от действия природных и антропогенных факторов
Климатические условия. Обобщены средние многолетние показатели по осадкам, температуре и влажности воздуха, полученные на 5 метеостанциях (МС) для 50 лет наблюдений, расположенных в границах изучаемого региона (МС г. Усть-Лабинска, МС г. Краснодара (Круглик – ВНИИМК), МС г.Тимашевска, МС г. Кореновска и МС г. Приморско-Ахтарска) за осенне-зимний период.В связи с изучаемой проблемой переувлажнения почв наиболее важно рассмотреть изменение осадков, выпадающих в холодный период года (X, XI, XII и I, II, III месяцы). Результаты выполненных исследований показали, что в холодное время года осадков по всем пяти МС выпало больше в период с 1996 по 2006гг., чем за аналогичные 10 летние периоды. Например, увеличение количества годовых осадков составило по сравнению с тем же периодом до 1961г: по МС г. Усть-Лабинска – 151мм; - г. Краснодара – 202мм; - г. Тимашевска – 157мм; г. Приморско-Ахтарска – 115мм и - г. Кореновска – 247мм.
Общий баланс почвенной влаги на пахотных землях определяется, в основном, количеством осадков (приходная часть), испарением с поверхности почвы и транспирацией выращиваемых культур (расходная часть). Расходная часть значительно зависит от температуры и влажности воздуха. Анализ показал, что среднегодовая температура воздуха по пяти МС изменилась в сторону потепления, но незначительно. Так, по МС г. Усть-Лабинска она возросла за последние 10 лет на 1,1С; по МС г. Краснодара – на 1,5С; по МС г. Тимашевска – на 1,4С; по МС г. Приморско-Ахтарска – на1,4С; по МС г. Кореновска – на 1,3С.
Таким образом, из анализа рассмотренных климатических факторов за 10 лет можно сделать вывод о том, что значительное возрастание количества осадков в осенне-зимний период является одной из основных причин переувлажнения почв бассейна р. Кирпили.
Грунтовые воды, в основном, имеют минерализацию 0,36 – 0,46 г/л. Однако встречаются локальные проявления с более высокой минерализацией – до 1,5 г/л и даже до 3 – 7 г/л (крайняя северо-западная часть территории). Общее направление потока грунтовых вод – северо-западное.
Почвы бассейна р. Кирпили. Почвенный покров бассейна р. Кирпили разнообразен, но преобладающие почвы представлены чернозёмами. Заметные колебания в количестве осадков обусловили наличие чернозёмов в разной степени промытости от карбонатов: обыкновенных, типичных и выщелоченных. Эти почвы приурочены, как правило, к равнинам, пологим склонам или неглубоким западинам. Кроме различий в содержании карбонатов, они различаются по содержанию гумуса (слабогумусные и малогумусные), степени уплотнённости и смытости.
В балках и замкнутых понижениях, где наблюдается повышенный гидрологический режим, сформировались луговато-чернозёмные и лугово-чернозёмные, а также влажно-луговые и лугово-болотные почвы. В низовье р. Кирпили на созданных рисовых системах образовались рисовые почвы антропогенного происхождения.
Почвы на территории Азово-Кубанского бассейна подвержены негативному воздействию природных и антропогенных факторов, которые испытывают подтопление и переувлажнение. Сельскохозяйственные земли данной территории деградируют на площади 15-25%.
Антропогенные факторы. К антропогенным факторам, влияющими на подтопление сельскохозяйственных земель, следует отнести: возведение перегораживающих сооружений на больших и малых реках; строительство трубчатых переездов и мостов через водные преграды; строительство авто- и железных дорог без водопропускных сооружений; закладку лесополос без продуманной схемы отвода избыточных вод с полей; распашку полей на водоохранных зонах; экстенсивное ведение сельского хозяйства на плодородных почвах. Следует отметить, что особенно подвержены подтоплению сельскохозяйственные земли Калининского, Тимашевского, Динского Кореновского и Усть-Лабинского районов бассейна р. Кирпили.
Урожаи основных озимых культур бассейна в значительной степени оказались под влиянием подтопления и переувлажнения.
Проблемы обработки подтопляемых почв сельскохозяйственных земель бассейна р. Кирпили. Анализ результатов хозяйственной деятельности сельхозтоваропроизводителей показал, что на землях, расположенных в бассейне, до 40% занимают озимые зерновые культуры. Для обработки почвы в основном используют однооперационные машины и орудия. Они, как правило, оснащены одним типом рабочих органов и лишь в некоторых случаях почвообрабатывающие агрегаты оснащают боронами или катками. Применяемые технологические операции вытянуты в цепочку, довольно длинную по времени. Для получения требуемого качества обработки почвы приходится выполнять многократные проходы машинных агрегатов по одному и тому же месту, что приводит к резкому снижению вертикальной фильтрации, и как следствие, слабому оттоку поверхностной влаги в нижние горизонты почвы. Результаты исследований показали о разной дифференциации плотности почвы в пахотном горизонте и ниже лежащих слоях. Так, если в пахотном, корнеобитаемом слое – 0,20-0,30м, плотность почвы находится в пределах 1,10–1,22т/м3, то в слоях более 0,30м плотность увеличивается в 1,3–1,5 раза. Капиллярная связь почвенных горизонтов в этом случае нарушается, что естественно приводит к накоплению влаги в верхней их части, возникновению подтопляемых участков в период выпадения большого количества осадков и таяния снегов.
Установлено, что применяемые технологии возделывания пропашных и яровых культур, используемые в хозяйствах бассейна р. Кирпили, отличаются большим набором технологических операций, выполняемых в жесткие агротехнические сроки и энергоёмкостью, чем при возделывании озимых зерновых культур.
Определен состав мелиоративной техники, используемый для охраны сельскохозяйственных земель от подтопления. Низким остается технический уровень и выпускаемой сельскохозяйственной техники. В то же время, известно, что надежность машин влияет на их работоспособность и эксплуатационные показатели: сменную и дневную выработки, эксплуатационные и трудовые затраты. Показатели использования машинно-тракторного парка (МТП) сельскохозяйственных предприятий снижаются.
Во второй главе «Обоснование влияния дефицита влаги на урожайность основных культур степного агроландшафта Кубани» теоретически обосновано влияние природных и антропогенных факторов на урожайность основных культур для условий бассейна р. Кирпили в административных границах Кореновского и Усть-Лабинского районов. Исследования показывают, что урожайность основных возделываемых культур характеризуется крайне высокой неустойчивостью по годам (рисунок 2.1). Оценка природной тепло- и влагообеспеченности Кореновского и Усть-Лабинского районов выполнена как на основе интегрального показателя – коэффициента природного увлажнения Ку, так и в зависимости от гидротермического коэффициента (ГТК) в вегетационный и межвегетационный периоды, а так же в период проведения весенних полевых работ.
Природные факторы– атмосферные осадки, температура и относительная влажность воздуха установлены по декадным метеорологическим данным за 50 лет по репрезентативным метеостанциям. Исследования Ку и ГТК для межвегетационного, вегетационного и предпосевного периодов проводились с помощью математической модели, разработанной на кафедре сельскохозяйственных мелиораций КубГАУ. На основании полученных данных построены графики динамики Ку и ГТК за вегетационные периоды основных культур. Часть результатов исследований представлена на рисунке 2.2 для Кореновского района (1981-2007гг.).
Рисунок 2.1 – Динамика урожайности озимой пшеницы
Установлено, что многолетние ряды Ку и ГТК за вегетационный период на территории региона характеризуются определённой изменчивостью: в сухие годы Ку и ГТК уменьшается, а во влажные – увеличивается на 30 – 40% от линии тренда.
Выбор комплекса или отдельных мероприятий для предупреждения или борьбы с подтоплением и переувлажнением сельскохозяйственных земель зависит от способов их реализации. Очевидно, что в современных условиях необходимо выявлять основные факторы, влияющие на урожайность основных культур, к которым следует отнести в первую очередь региональные и локальные мелиорации подтопленных и переувлажненных сельскохозяйственных земель.
Рисунок 2.2 – Динамика Ку за вегетационный период озимой
пшеницы в хозяйствах Кореновского района (1956-2007 гг.)
Так 1957, 1979, 2003 и 2007гг. характеризуются как острозасушливые годы, Ку был равен соответственно 0,15, 0,18, 0,12 и 0.17 что отвечает условиям полупустынной зоны, 2001г по Ку = 1,08 – относится к зоне избыточного увлажнения.
Для оценки влияния Ку и ГТК на урожай сельскохозяйственных культур была проанализирована их взаимозависимость для пяти основных культур, возделываемых в Кореновском и Усть-Лабинском районах. Наибольшее и существенное влияние на формирование урожая оказывает гидротермический режим вегетационного периода, что подтверждается данными корреляционного и регрессивного анализа. Потеря урожая в экстремальные годы под влиянием гидротермического режима (по сравнению с нормальными по погодным условиям годами ГТК = 1,0 – 1,5) составляют: для засушливых лет (ГТК < 0,6) озимых культур – 21,5 – 22,3%, подсолнечника – 31,4%, сахарной свёклы – 37,4%, кукурузы на зерно – 58,3%; для избыточно влажных лет соответственно - 1,9 – 9,3%, 33,8%, 23,7% и 8,0%. Установлено, что ни годовые суммы осадков, ни осадки весеннего и осенне-зимнего периода не оказывают существенного влияния на урожай яровых культур, но в период возобновления вегетации озимых на 28,8 и 59,6% влияют на урожай озимой пшеницы и ячменя.
Обеспеченность дефицита водопотребления за вегетационный период основных культур, возделываемых в Кореновском районе, представлена на рисунке 2.3. По степени увлажнённости (обеспеченности дефицита водопотребления) принимали: 5% обеспеченность – влажные годы; 25% – средневлажные; 50% – средние; 75% – среднесухие; 85% – сухие; 95% – острозасушливые годы.
Статистические характеристики 50- летних рядов дефицита водопотребления подтверждают достоверность исходных данных и достаточность их по объёму. Анализ выполненных исследований показывает, что дефицит водопотребления в условиях Кореновского и Усть-Лабинского районов в вегетационный период возникает практически для всех культур и на всех уровнях его обеспеченности. Исключением являются озимые культуры, когда в период возобновления вегетации для 5% обеспеченности (влажные годы), т.е. один раз в 20 лет, дефицит отсутствует, но в незначительном объёме 3,8 – 34,3мм.
Дефицит водопотребления для сельскохозяйственных культур, например подсолнечника и сахарной свёклы, нарастает от влажных лет (5% обеспеченности) – 59,8 – 93,6 мм до острозасушливых (95%) – 531,2 – 601,3мм, т.е. в 8,9 – 6,4 раза. Это обстоятельство, казалось бы, должно свидетельствовать об острой необходимости компенсации дефицита водопотребления за счёт различных влагосберегающих агротехнических или мелиоративных мероприятий.
Обработка опытных данных показывает, что повышение водообеспеченности в годы с гидротермическими показателями, характеризующихся как избыточно-влажные приводит к значительному снижению урожайности основных культур от 7,3% – озимая пшеница до 38,4% – подсолнечник.
Ещё более контрастно культуры реагируют на дефицит водопотребления при переходе природных условий от средневлажных (25% обеспеченности) и средних лет (50%) к среднесухим (75%) и острозасушливым (95%) годам. Такие условия обуславливают один раз в 20 лет потери урожая до 80,9% (кукуруза на зерно) и получение гарантированного урожая возможно только при орошении.
Оптимальными условиями влагообеспеченности вегетационного периода для возделываемых в Кореновском районе культур следует считать годы с обеспеченностью дефицита водопотребления для озимых культур – средние (50%), для яровых – средневлажные (25%) – кукуруза на зерно и средние (50%) – подсолнечник и сахарная свёкла.
Один раз в четыре года формируются предпосылки развития засушливых условий, каждый шестой год характеризуется как сухой, а один раз в 20 лет – на все территории вероятно наступление засухи или чрезвычайных ситуаций, связанных с избыточным переувлажнением. На богаре без специальных комплексных мероприятий будет наблюдаться резкое снижение урожайности сельскохозяйственных культур, а по некоторым видам и полная их потеря. Таким образом, в Кореновском районе благоприятные условия для богарного земледелия создаются лишь один раз в два года, для озимых культур, подсолнечника и сахарной свёклы, один раз в четыре года – для кукурузы на зерно. Аналогичные исследования выполнены для Усть-Лабинского района бассейна р. Кирпили.
1 – сахарная свёкла; 2 – кукуруза на зерно; 3 – подсолнечник;
4 – озимый ячмень; 5 – озимая пшеница.
Рисунок 2.3 – Обеспеченность дефицита водопотребления за вегетационный период основных культур (1955-2007 гг.)
Проведённый анализ выполненных исследований констатирует факт низкой эффективности использования осадков на фоне острого дефицита влаги в годы, как с их малой обеспеченностью, так и с повышенной.
В первом и втором случаях осадки можно классифицировать как лимитирующий фактор урожайности, а это свидетельствует об отсутствии или вообще атавизме в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур элементов адаптивного земледелия к факторам среды.
Этот факт приходится констатировать практически для всех хозяйств Кореновского и Усть-Лабинского районов, так как технологии ландшафтно-адаптивного земледелия не вписываются в цели и задачи, хозяйствующих в настоящее время субъектов.
При мелиорации переувлажненных земель ландшафты удобно рассматривать в границах водораздельных линий бассейнов рек, поскольку основные объекты мелиорации тяготеют к водотокам, а водораздельные участки, как правило, не входят в мелиоративный фонд. Разработка мелиоративных мероприятий в речных бассейнах предшествует составлению эколого-ландшафтного прогноза, основные положения которого должны включать: качественную оценку ландшафтов по признаку антропогенного воздействия; анализ природно-ресурсного потенциала ландшафтов; схему рекомендаций по оптимизации комплексных мелиораций ландшафтов и направлениям основных мероприятий; прогноз использования природных ресурсов.
Установлено, что эффективность и устойчивость земледелия в значительной степени регламентируется переувлажнением и подтоплением сельхозугодий из-за увеличивающегося количества выпадающих осадков, повышения вероятности наступления избыточно влажных лет, перераспределения стока в сторону увеличения поверхностного, плохой естественной дренированности отдельных площадей и почвенного профиля. В результате сдвигаются сроки проведения полевых работ, ухудшается их качество, снижается урожайность растений, возникают ситуации чрезвычайного характера, которые приводят к гибели производственных посевов. Так, в бассейне р. Кирпили за ретроспективный период 1981-2007 гг., экстремальные потери урожайности кукурузы на зерно составляют 7,7 – 59,4, озимого ячменя 28,3 – 62,9, озимой пшеницы 28,4 – 62,7, подсолнечника 8,4 – 31,7. сахарной свёклы 110 – 364 ц/га. При этом набольшие значения экстремальных отклонений урожайности отмечены у яровых культур. Получено, что многолетние ряды Ку и ГТК за вегетационный период на территории региона характеризуются определённой изменчивостью: в сухие годы Ку и ГТК уменьшается а 30 – 40% от линии тренда, а во влажные – увеличивается. Происходит как бы переход объекта из одной природной зоны в другую.
Одновременно с этим меняется и обеспеченность растений теплом и влагой, что обуславливает необходимость вариабельности выбора и применения агротехнических, культуртехнических и мелиоративных мероприятий, или их комплекса. Установлено, что на территории бассейна р. Кирпили наибольшее и существенное влияние на формирование урожая оказывает гидротермический режим вегетационного периода, что подтверждается данными корреляционного и регрессивного анализа. Потери урожая в экстремальные годы под влиянием плохого гидротермического режима по сравнению с нормальными по погодным условиям годами (ГТК = 1,0 – 1,5) для засушливых лет (ГТК < 0,6) озимых культур – 21,5 – 22,3%, подсолнечника – 31,4%, сахарной свёклы – 37,4%, кукурузы на зерно – 58,3% для избыточно влажных лет соответственно 1,9 – 9,3%, 33,8%, 23,7% и 8,0%.
В третьей главе «Методика полевых исследований сельскохозяйственных земель в бассейне р. Кирпили» обоснован метод полевых исследований подтопленных и переувлажненных сельскохозяйственных земель. Исследования по оценке агроресурсного потенциала территории бассейна р. Кирпили выполнялись в 1998-08гг. Площадь бассейна составляет около 300 тыс.га. К исследуемому объекту был принят метод аналогий, который позволил оценивать состояние сельскохозяйственных земель бассейна по общим признакам: разрезам почвенных профилей; положению УГВ; размерам и типу подтопления почвы; морфологии обследуемых участков, мелиоративному состоянию почв. В связи с этим, для более полного представления о площадях потенциально переувлажняемых земель на территории бассейна р. Кирпили было заложено 5 характерных профилей (А-Д), на которых был выделен 21 полигон с общей площадью 4,3тыс. га, охватывающие более 75% типовых почв площади бассейна.
В результате проведённых исследований в бассейне р. Кирпили
по 5 профилям было обследовано 4302,5га земель, из которых 987,9га были
в разной степени переувлажнены, что составило 23,0 %. Наибольшие площади переувлажнённых почв в 2006г наблюдались по профилю Д (412,7га или 36,9%). Такая высокая доля переувлажнения обусловлена заложением этого профиля в низовьях р. Кирпили на рисовых оросительных системах. Менее всего переувлажнённые почвы распространены по профилям В и Г (14,4 и 15,5% соответственно).
Почва на водоразделе – лугово-чернозёмная карбонатная малогумусная сверхмощная легкоглинистая на лёссовидных глинах. Почва в западинах – лугово-чернозёмная выщелоченная слабосолончаковатая среднеслитая длительно переувлажняемая малогумусная мощная легкоглинистая на деградированных лёссовидных отложениях. В первую очередь, следует отметить наличие в ней ясно выраженных гидроморфных признаков в виде прожилок ржавчины (R2О3) и мелких марганцево-железистых дробовин. Эти признаки показывают, что данная почва формируется в гидроморфных условиях с периодическим поверхностным переувлажнением и постоянной подпиткой капиллярной каймой неглубокозалегающих грунтовых вод (1,5м в июле месяце). Содержание иловатых частиц в ней составляет около 37% до глубины 50см. Ниже количество ила в гранулометрическом составе почвы уменьшается до 33 – 34%. Этот факт говорит о том, что промывание (вмывание) иловатых частиц из-за преимущественно восходящего потока влаги в данном случае не происходит.
Соответственно, уплотнение – слитизация в лугово-чернозёмных выщелоченных слитых почвах отмечается в верхних горизонтах до глубины 50 см, при этом объёмная масса их достигает 1,45г/см3. Далее вниз по профилю она уменьшается до 1,37 – 1,41г/см3.Удельная масса этих почв варьирует от 2,61г/см3 до 2,68г/см3 в горизонте «В». Порозность этих почв зависит от плотности и удельной массы в горизонте «А», составляет 44,4%, а вниз по профилю увеличивается до 47 – 48%.
Набухание – усадка почв западин на 60 – 70% выше, чем в аналогичных морфологических горизонтах почв равнин и водоразделов. Из этого следует вывод: почвы западин верхнечетвертичной поймы рек при иссушении склонны к слитизации. По механическому составу обе разновидности почв легкоглинистые, содержание физической глины колеблется от 61 до 72%. Такой же механический состав имеют и подстилающие породы.
Разработана методика оценки распространения подтопления от воздействия основных климатических характеристик. Следует особо отметить наблюдения за температурой воздуха, которые показали, что по всем месяцам изучаемого периода температура была выше среднемноголетней нормы. Превышение, в основном, составляло 1–3°С за исключением января 2007г, когда оно достигло 7,5°С.
Таким образом, основные показатели климата рассматриваемого региона в целом близки к среднемноголетним. Однако имеются отдельные месяцы, которые значительно отличаются от средних норм. Такими являются: по осадкам – ноябрь 2006г (выпала двойная норма), а по температуре – январь 2007г (наблюдалось + 4,7°С при норме – 2,8°С).
Исследовалось воздействие подтопления (типов подтопления) на урожайность и биометрические показатели основных сельскохозяйственных культур. Необходимо было установить существенно ли влияние избыточной влажности в почве на биометрические параметры основных культур, выращиваемых на территории бассейна р. Кирпили. Исследовались связи: между влажностью почвы и высотой учетных растений; влажностью почвы и средней площадью листов на учетных растениях; влажностью почвы и количеством листьев на учетных растениях и др. Обработка опытных данных выполнялась по стандартным методикам.
В четвертой главе «Обоснование комплексных мероприятий для охраны сельскохозяйственных земель от подтопления и переувлажнения» теоретически обоснован комплекс мелиоративных машин и система обработки почвы для снижения негативного влияния подтопления и переувлажнения на сельскохозяйственные земли. Выполненные полевые исследования, позволили обосновать состав машинно-тракторных агрегатов и схемы обработки почвы при различных сценариях подтопления и переувлажнения.
Повышенная влажность почвы, переувлажнение и особенно её подтопление губительно влияют на процесс роста и развитие растений. Единственно возможным путем снижения негативного влияния на растения высокой влажности почвы и избытка влаги в этих условиях является выполнение комплекса агромелиоративных приемов, включающего глубокое рыхление, устройство кротового дренажа, коллекторно-дренажной сети, обеспечивающих естественный (самотеком) или принудительный (с помощью водных насосов) отвод воды с переувлажненных и подтопляемых участков.
Агромелиоративные приемы системы мер по предотвращению подтопления могут выполняться различными машинно-тракторными агрегатами (МТА), включающими энергетические средства, чаще всего трактор, и сельскохозяйственную или мелиоративную машину.
Учитывая требования первого основного постулата рациональной системы земледелия при выборе трактора и сельскохозяйственной машины для общей системы агромелиоративных приемов целесообразно соблюдать следующий алгоритм.
Появление потребности всего агрофитоценоза или его части на конкретном поле в коррекции сложившего состояния
