2курс лекции. Мелиорация земель
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
1 МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ ФГБОУ ВО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ИМПЕРАТОРА ПЕТРА 1» Кафедра мелиорации, водоснабжения и геодезии Черемисинов А.Ю. МЕЛИОРАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ Курс лекций Разрушенный агроландшафт в Центральном Черноземье. Апрель, 2000 г. Воронеж 2016 2 СОДЕРЖАНИЕ 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕЛИОРАЦИИ ЗЕМЕЛЬ…..………………………………….. 3 2 ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИИ …………………………………………………………………. 6 3 РОЛЬ ПОЧВ В МЕЛИОРАЦИИ …………………………………………………………... 8 4 ВОДНЫЙ РЕЖИМ РАСТЕНИЙ ………………………….………………………………. 9 5 РЕЖИМ ОРОШЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР .……..…………….. 12 6. ОРОСИТЕЛЬНЫЕ МЕЛИОРАЦИИ……………………………………………………… 15 7 ОРОСИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ……………………………………………………………. 24 8 ОСУШИТЕЛЬНЫЕ МЕЛИОРАЦИИ……………..……………………………………….. 28 9 ОСУШИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ…………………..………………………………………. 32 10 ИСТОЧНИКИ ВОДЫ. МЕСТНЫЙ СТОК………………………...…………………….. 41 3 Если наличие какого-либо из факторов необходимых для разви- тия растений и поддержания высокого плодородия почвы не обеспе- чивается в силу естественных природных условий, оно должно быть обеспечено человеком путем соответствующего изменения этих усло- вий, что достигается или восполнением недостающих факторов роста, или устранением причин, вызывающих их недостаток. А.Н. Костяков - основоположник мелиоративной науки 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕЛИОРАЦИИ ЗЕМЕЛЬ 1.1 Предмет, объект и классификация мелиораций Известно, что земля постоянно нуждается в улучшении. Российский крестьянин испокон века борется с засухами и суховеями, с болотами и наводнениями, с наступающими на пашню ку- старниками и лесом, с кислотностью и засоленностью почвы, водной и ветровой эрозией, приво- дит в порядок неудобные, малопригодные и деградирующие земли. Вся история России – это борьба с последствиями неурожаев и голодом. Многовековой опыт показал, что простого приспо- собления к природным условиям недостаточно, необходимы «земельные улучшения» (так в XIX веке называли мелиорацию). Слово "мелиорация" происходит от латинского "melioratia" - улучшение. Сельскохозяйственная мелиорация - это комплекс технических, организационно- хозяйственных мероприятий, направленных на улучшение неблагоприятных природных условий и повышение плодородия почв с целью получения высоких и стабильных урожаев сельскохозяй- ственных культур. Предметом сельскохозяйственной мелиорации является целенаправленная деятельность человека (мелиоративные воздействия), направленная на улучшение или сохранение потребитель- ских свойств окружающей природной среды. Объектом мелиорации являются компоненты окружающей природной среды, связанные с выращиванием сельскохозяйственных культур. Это: почва, почвенное плодородие, вода, водные объекты, воздух и воздушная среда, микроклимат, ландшафт. К мелиоративным воздействиям относятся: изменения, восстановления, регулирование тех или иных характеристик объектов мелиораций в пределах их экологических ограничений. Классификация мелиораций. Сегодня нет единой классификации мелиораций, так как ухудшение экологии в результате человеческой деятельности требует все новых видов улучшения. Академик РАСХН Б.С.Маслов приводит более 80 видов только земельных улучшений. Профессор В.Н.Шкура насчитывает более 400 видов мелиораций. Федеральный закон "О мелиорации земель" дает следующую классификацию мелиораций, табл.1.1: Таблица 1.1 - Типы и виды мелиорации земель Типы Виды Задачи Гидромелиорация (водная мелиора- ция) Оросительная, осушительная, обводнение и т.д. Улучшение засушливых, переувлажнен- ных и др. земель путем регулирования водного, воздушного, теплового и др. режимов почв Агролесомелиора- ция Противоэрозионная, поле- защитная и т.д. Улучшение земель посредством почво- защитных, водорегулирующих и иных свойств защитных лесных насаждений Культуртехниче- ская Расчистка земель, плани- ровка и т.д. Первичная обработка почвы Химическая Известкование, гипсование почв и т.д. Улучшение химических свойств почв 4 Сельскохозяйственная мелиорация улучшает водный режим почв, а также тесно связанные с ним режимы воздушный, тепловой и питательный, создавая при этом благоприятные условия для роста и развития культурных растений. За счет этого повышается урожайность культур. Все виды мелиораций влияют на микроклимат мелиорируемых площадей, водно-солевой состав почвы и другие компоненты окружающей среды. Наибольшей эффективности мелиорация достигает при комплексном применении, когда сочетаются 2, 3 и более видов мелиораций. При этом необходим высокий уровень агротехники и общей культуры земледелия. Мелиорация повышает в 2-3 раза продуктивность сельскохозяй- ственных угодий, сохраняет и улучшает окружающую среду и преобразует экономику целых ре- гионов. С позиций экологии сельскохозяйственные мелиорации рассматриваются как геоэкотехни- ческая система. В целом это сложная, целостная и взаимосвязанная экосистема, функционирую- щая и управляемая человеком в с-х целях. Задачи сельскохозяйственной мелиорации - повышение продуктивности и устойчивости земледелия, обеспечение гарантированного производства сельскохозяйственной продукции на ос- нове сохранения и повышения плодородия земель, а также создания необходимых условий для вовлечения в сельскохозяйственный оборот неиспользуемых и малопродуктивных земель и фор- мирования рациональной структуры земельных угодий. Мелиорация тесно связана с науками: гидравликой, гидрологией, метеорологией, почво- ведением, растениеводством и др. Мелиорации обладают длительным и продолжительным эффектом, они прочно и корен- ным образом улучшают природные условия произрастания сельскохозяйственных культур и со- храняют свое действие в течение многих лет. Долголетие - это основной признак отличающий ме- лиорации от других сельскохозяйственных мероприятий. Поэтому, мелиорации относятся к разря- ду капитальных мероприятий. Сельскохозяйственные мелиорации дополняются мероприятиями по охране природы и рациональному использованию мелиорируемых земель. 1.2. Потребность в мелиорации по климатическим зонам Климатические зоны. Рассмотрим основные климатические зоны, передвигаясь с севера на юг европейской части России, и распределение по ним основных характеристик климата (ФАР, сумму температур воздуха и сумму осадков за вегетационный период, суммарное испарение с сельскохозяйственных полей, рис.1.2). Влажная мерзлотная зона (тундра и тайга). В этой зоне в минимуме находится температу- ра. Невысокое испарение, даже и при небольшом количестве осадков, обусловливает избыток во- ды в почве и ее заболачивание. Заболачиванию и неудовлетворительному тепловому режиму спо- собствует наличие вечной мерзлоты. Благоприятным обстоятельством для ряда растений является значительная продолжительность дня летом. Многие культурные растения относятся к группе растений длинного дня, т.е. они требуют продолжительного освещения. Тепловые Водные Водные Водные Водные Водные Лесомелио- рации Лесомелио- рации Тепловые 5 0 300 600 900 1200 1. Тундра и тайга 2. Лесная зона 3. Лесостепная зона 4.Степная зона 5. Пустыня Q и P в ег ет ац ио нн ог о пе ри од а 0 1000 2000 3000 4000 t и Е в ег ет ац ио нн ог о пе ри од а Почвы Глеевые, подзолы Дерново- подзоли- стые Черноземы оподзолен- ные. выще- лоченные Черноземы обыкновен- ные, юж- ные; каш- тановые Светло- каштано- вые, се- робурые Горизонт гумуса, см 8 55 89 55 8 Рис. 1.2. Климатические зоны, их потребность в мелиорациях Мелиорации в этой зоне направлены на улучшение теплового режима и аэрации почв. Вод- ные мелиорации по сравнению с тепловыми имеют второстепенное значение. Улучшение водного режима здесь будет достигнуто в результате тепловых мелиораций. В зоне избыточного увлажнения (лесная зона) требуется удалить избыток влаги интенси- фикацией испарения и стока. Повышение испарения может быть достигнуто увеличением площа- ди под растениями, имеющими высокую испаряющую способность. Осушение избыточно увлаж- ненных территорий производится проведением инженерных мероприятий (осушение и пр.). Не- умеренная рубка, лесные пожары сдвигают границу тундры на юг за счет лесной зоны. Необходи- мо облесение этих участков. Повышение транспирации в таежной зоне благоприятно сказывается на влагообороте соседних, менее обеспеченных влагой зон. Осушенные болота и заболоченные почвы требуют ряда специфических приемов возделывания сельскохозяйственных растений, ко- торые объединяются под термином «культуры болот» и являются характерными для рассматрива- емой зоны. Переменно влажная зона (лесостепная) отличается неустойчивым увлажнением и в из- вестной мере является промежуточной между зонами избыточно влажной и полусухой, поэтому и мелиоративные мероприятия, необходимые в переменно влажной зоне, отличаются некоторой пестротой. Наряду с мероприятиями по удалению избытка влаги (осушением) здесь могут иметь место и оросительные мероприятия, особенно для наиболее ценных технических культур. Полусухая зона (степная). Основным мероприятием в этой зоне является борьба с недо- статком влаги. Мероприятия по сбережению атмосферных осадков во многих случаях уже оказы- ваются недостаточными, приходится прибегать к орошению. Лесоразведение целесообразно в форме полезащитного, полосного, лесоразведение массивами - в отдельных случаях при облесе- нии водоразделов. Большое значение, особенно в южной части зоны, имеет мелиорация засолен- ных почв (солонцов и в несколько меньшей степени солончаков). Существенное значение имеют меры борьбы с эрозией и дефляцией. Гумидная зона Аридная зона t,C Е. мм Р, мм Q 6 Сухая зона (пустынная). В этой зоне еще больше, чем в предыдущей, возрастает роль оро- шения. На рис. видна граница, разделяющая зону, где осадки преобладают над испарением, и зону, где испарение преобладает над осадками. Эти две зоны имеют названия: гумидная зона (избыточно влажная), где основное назначение мелиорации – удале- ние избыточных почвенно-грунтовых вод путем осушения с помощью осушительных и осуши- тельно-увлажнительных систем; аридная зона, где растения страдают от недостатка влаги в почве. Здесь применяют орошение с помощью оросительных систем. В пустынных, полупустынных и степных районах, где развито животноводство, проводят обводнение пастбищ. Оценка потребности в мелиорации. Потребность в различных видах мелиорации в любой климатической зоне может быть определена через различные оценочные климатические показате- ли (табл. 1.2). Таблица 1.2 - Показатели увлажнения территории Авторы Зависимости Г.Т. Селянинов ГТК = 10∑P в /∑t Н.Н. Иванов К = ∑P/∑E М.И. Будыко К = R/L∑P А.Н.Костяков К = (1-)P/E Д.И. Шашко Md = ∑P/∑d где ∑P - сумма осадков за год, мм; ∑P в - сумма осадков за период вегетации, мм; ∑t - сумма температур за период вегетации,°С; ∑d - сумма дефицитов влажности воздуха за год; R - радиационный баланс за год; L - скрытая теплота испарения; - коэффициент стока; E - водопотребление сельскохозяйственных культур, мм. Исследования кафедры мелиорации ВГАУ (А.Ю. Черемисинов, 1986) позволили дать оценку территории Центрального Черноземья по условиям влагообеспеченности и потребности в гидро- мелиорациях (табл. 1.3). Таблица 1.3 - Потребность в гидромелиорациях в ЦЧР Области Орошение Агромеро- приятия Достаточное естествен. увлажн. Осушение постоянное периодиче- ское Тамбовская 24 40 25 10 1 Липецкая 12 37 34 16 1 Курская 7 22 36 30 5 Белгородская 28 38 24 10 - Воронежская 35 35 21 8 1 Среднее по ЦЧЗ 22 34 27 16 1 Из таблицы видно, что потребность в гидромелиорациях для областей крайне неравномер- на. 2 ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИИ 2.1. Влагооборот и водный баланс территории Природная вода под влиянием солнечной радиации и силы тяжести совершает непрерывный круговорот (влагооборот) между гидросферой, литосферой и атмосферой. Водяной пар поступает в атмосферу путем испарения с поверхности воды и земли, а также транспирации растениями. Затем пар конденсируется образуя облака и туманы. Вода, в жидком или твердом состоянии выпадающая из облаков или осаждающаяся из воздуха на поверхность 7 земли, называется осадками. Осадки выпадают в виде дождя, снега, града, инея, изморози. Вы- павшие осадки частично вновь испаряются, частично образуют временные и постоянные водотоки и водоемы, частично профильтровываются через почву в толщу зоны аэрации и накопляют под- земные воды. Совокупность водоемов и водотоков (в том числе болот и других водных объектов) в пре- делах какой - либо территории называется гидрографической сетью. Различают следующие виды круговорота: Мировой, когда водяной пар, испарившийся с поверхности океанов и морей переносится на материки, выпадает в виде атмосферных осадков и возвращается в океан стоком. Внутриконтинентальный ( местный ) круговорот, когда вода испаряется с поверхности суши и вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков. Чем интенсивнее местный влаго- оборот, тем влажней климат данной территории. Водный баланс – это соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени для рассматриваемой территории. В пределах геологической эпо- хи количество воды постоянно (вода не прибывает и не убывает) Р = Е + S, где Р - осадки всех видов; S – сток; Е – испарение. Сток – количество воды, стекающее с водосбора (поверхностный по водосбору, подземный – внутри толщи земли) за определенное время. Выражается объемом, модулем и слоем стока. Водные балансы различных территорий приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 - Водные балансы различных территорий Регионы Пло- щадь, тыс. км 2 Элементы водного баланса Р, км 3 S, км 3 E, км 3 P, мм S, мм E, мм Российская Феде- рация 16905 9553 3977 5676 571 235 336 Центральное Чер- ноземье 167,7 105 16,7 88,3 627 100 527 Воронежская об- ласть 52,4 31,4 3,75 27,6 600 72,0 528 Для агроэкосистем уравнение водного баланса имеет вид (рис. 2.2). Поливная вода (М) яв- ляется мелиоративным воздействием на агроэкосистему для подержания почвенной влаги (W) на необходимом уровне, наиболее оптимальном для роста растений. Приход воды Расход воды P + M + U = Eи + Eт + U + W + S Осадки Полив- ная вода Подпи- тывание водами Испаре- ние из почвы Транспи- рация растени- ем Инфиль- трация в нижние слои Влагоза- пасы в почве Сток Рис. 2.1. Схема водного баланса Таким образом, искусственно за счет управления изменяется соотношение между состав- ляющими водного баланса. U Р М W Ет Еп S 8 Средний многолетний годовой водный баланс почв количественно характеризует тип вод- ного режима. 3 РОЛЬ ПОЧВ В МЕЛИОРАЦИИ 3.1 Водный режим почв и его типы Водный режим почв - это изменения во времени общего и послойного содержания влаги в почве. Он зависит от климатических, почвенных, гидрологических, хозяйственных, агротехниче- ских и других условий. Вместе с тем, водный режим почвы оказывает влияние на все остальные режимы: воздушный, тепловой, питательный, солевой и др. Он поддается типизации. В зависимости от соотношения приходящих осадков и расходуемого испарения различают 6 типов водного режима почв: 1.Мерзлотный тип водного режима наблюдается там, где распространена многолетняя мерзлота. Характеризуется постепенным оттаиванием почвы сверху вниз, над мерзлым слоем об- разуется водоносный горизонт–мерзлотная почвенная верховодка. Содержащаяся в ней влага рас- ходуется на испарение. Осенью почва сверху замерзает, причем мерзлота смыкается с вечномерз- лотным слоем. Мерзлотный тип встречается в таежно-лесной зоне. 2. Промывной тип водного режима отмечается в областях, где средняя годовая сумма осад- ков превышает среднюю годовую испаряемость. При этом режиме характерно ежегодное (одно- или многократное) сквозное промачивание почвенно-грунтовой толщи до грунтовых вод (пре- имущественно весной, во время снеготаяния). Промывной тип характерен для таежно-лесной зоны, где средняя годовая сумма осадков превышает среднюю годовую испаряемость и почва ежегодно (преимущественно весной) во время снеготаяния промывается до грунтовых вод. 3. Периодически промывной тип водного режима наблюдается в областях, где средняя го- довая сумма осадков приблизительно равна средней испаряемости. Для него характерно нееже- годное сквозное промывание почвенно-грунтовой толщи (обычно однократное). Периодически промывной тип встречается в лесостепной зоне на серых лесных почвах, черноземах оподзоленных и выщелоченных. Промывание толщи почв происходит периодически. 4. Непромывной тип водного режима распространен там, где средняя годовая сумма осад- ков существенно меньше средней испаряемости. Почва не промачивается до грунтовых вод, на некоторой глубине формируется мертвый горизонт с постоянностью, близкой к влажности завяда- ния растений. Промывание почвенной толщи происходит лишь на некоторую глубину (1 - 2 м), ниже залегает непромачиваемый слой с постоянной низкой влажностью. Промываемый горизонт к осени обычно иссушается до влажности завядания. Этот тип водного режима распространен в степной и пустынно-степной зонах. Непромыв- ной тип водного режима характерен для черноземов степей, каштановых и бурых почв, сероземов. 5. Выпотной тип водного режима создается в областях, где годовая испаряемость значи- тельно превышает годовую сумму осадков и близко к дневной поверхности подходят грунтовые воды. В связи с этим здесь грунтовые воды поднимаются к поверхности и частично испаряются. Если грунтовые воды засоленные, неизбежно засоление почвенной толщи солями, которые содер- жатся в грунтовых водах. 6. Деструктивно-выпотной тип водного режима близок к выпотно-му, но грунтовые воды и их капиллярная кайма залегают глубже. Расход воды из них идет путем потребления влаги из капиллярной каймы корнями растений. Типы водного режима в значительной степени зависят от растительности, обусловливаю- щей испарение значительной части влаги из почвы, рельефа, влияющего на перераспределение атмосферных осадков на поверхности почвы, и механического состава материнских пород, от ко- торых зависит водопроницаемость и влагоемкость. |