Ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга Русской равнины

Актуальность проблемы. Сочетание обилия света и тепла с высоким плодородием почв способствовало превращению лесостепной и степной зон Русской равнины в агроландшафт. В лесостепной и степной зонах производится наибольшее количество товарного зерна и продуктов животноводства. Засухи в этих регионах представляют обычное явление и для различных частей этой территории отличаются лишь интенсивностью и повторяемостью. Результатом развития орошения как радикального средства борьбы с засухами в ряде регионов лесостепной и степной зон стало локальное переувлажнение земель и часто сопутствующее ему засоление, что явилось причиной деградации высокопродуктивных черноземов и сделало эти земли непригодными для сельскохозяйственного использования. Это делает актуальным разработку гидрологических основ управления ресурсами почвенных вод, которые используются недостаточно эффективно, и поиск вариантов оптимизации их режима, направленного на снижение интенсивности и повторяемости засух. Разразившийся к настоящему времени кризис продовольствия на мировых рынках, приведший к резкому скачку цен на сельскохозяйственную продукцию, а также наметившийся в последнее время переход на альтернативные источники энергиибиологическое топливо — придают еще большую актуальность проблеме рационального использования ресурсов почвенных вод с целью получения достаточно высоких, а тем более устойчивых урожаев возделываемых культур.

Снижение интенсивности и повторяемости засух на посевах неорошаемых культур в принципе возможно за счет более полного использования атмосферных осадков в вегетационный период. Это связано с решением задач о задержании снега и талых вод на полях для повышения весенних запасов почвенных вод, а также с уменьшением испарения воды почвой в период от схода снежного покрова до смыкания посевов и после уборки урожая до наступления зимы. Основы научной базы в решение этих задач были заложены В. В. Докучаевым и развивались его учениками и последователями П. А. Костычевым, А. А. Измаильским, Г. Н. Высоцким, А. Н. Костяковым, А. А. Роде, В. А. Ковдой, Ф. Ф. Давитая, С. А. Вериго, Л. А. Разумовой, Л. С. Кельчевской, С. В. Зонном и др. Исследования, связанные с развитием предложенного комплекса мероприятий «сухого земледелия», направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух, а также поиском новых приемов по борьбе с засухами, продолжаются по настоящее время. Обычно эти исследования проводятся на уровне агрономических опытов путем сравнения урожая опытного участка с контролем. Обобщение и перенос полученных результатов на другие условия, существенно изменяющиеся в пространстве и во времени, встречает большие трудности.

В 1950;х годах с возрастанием масштабов хозяйственной деятельности человека актуальными становятся разработки, позволяющие выявить приемлемость различных вариантов изменения гидрологического режима территории и учета последствий таких изменений для почвенных вод. Особое место в этом направлении занимают исследования М. И. Львовича, который считал, что почвенные воды играют ведущую роль в формировании водного баланса территории. Эти идеи получили развитие в работах Е. П. Чернышева, Н. И. Коронкевича и др.

В 1980;х годах А. И. Будаговским было введено понятие ресурсов почвенных вод и намечены основные направления развития учения о почвенных водах и их ресурсах: биофизическое (физика почвенных вод), географическое и прикладное (инженерно-агрономическое). Задачей биофизического направления является изучение физической сущности процессов формирования почвенных вод. В рамках этого направления А. И. Будаговским разработана модель формирования почвенных вод в безморозный период. Исследования в области формирования почвенных вод были продолжены и существенно углублены Е. М. Гусевым. Им была дана экологическая трактовка понятия ресурсов почвенных вод, разработан полный комплекс моделей формирования почвенных вод в осеннее-весенний период, разработаны динамико-стохастические модели формирования почвенных вод при мульчировании.

Достижения, полученные в области физики почвенных вод, легли в основу настоящей работы, которая выполнена в рамках развития географического и прикладного направлении учения о почвенных водах и их ресурсах. Если геофизические и биофизические законы, лежащие в основе формирования почвенных вод, установлены достаточно точно, то они справедливы для любых условий. При этом одни и те же законы, действующие в разных условиях, могут приводить к существенно различным результатам. Задача географического и прикладного направления — это раскрытие закономерностей формирования почвенных вод на более высоких (ландшафтном и зональном) уровнях организации окружающей среды и получение обоснованных оценок влияния изменения режима почвенных вод на соответствующее состояние растительного покрова.

Использование в данной работе модели формирования почвенных вод, разработанной в рамках учения о почвенных водах и их ресурсах, существенно повышает научный уровень агрономических опытов и позволяет оценить ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов как при применении традиционной агротехники, так и при проведении различных мероприятий «сухого земледелия», таких как задержание стока талых вод на полях, зяблевая пахота, парование полей и мульчирование почвы растительными остатками. Использование данного подхода позволяет не только оценить эффективность проводящихся мероприятий по повышению водообеспеченности посевов, но и служить обоснованием целесообразности постановки исследований по поиску или реализации более сложных мероприятий, детальная разработка которых требует большого труда и средств.

Цель и задачи исследований. Целью работы являются оценка и анализ закономерностей формирования ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов в условиях юга Русской равнины.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Выбор подхода к оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур.

2. Адаптация и проверка модели формирования ресурсов почвенных вод для условий юга Русской равнины, включая оценку параметров модели, описывающих водно-физические свойства почвы и растительный покров.

3. Изучение пространственной, межгодовой и внутригодовой динамики составляющих баланса почвенных вод сельскохозяйственных полей юга Русской равнины.

4. Оценка и выявление закономерностей формирования водообеспеченности агроценозов.

5. Определение дефицита водопотребления (оросительная норма нетто) посевов сельскохозяйственных культур. 6. Оценка гидрологической эффективности задержания стока талых вод на полях, зяблевой пахоты, парования и мульчирования почвы.

Объектом исследований являются сельскохозяйственные поля лесостепной и степной зон Русской равнины — основных зернопроизводящих регионов России.

Предмет исследований — почвенные воды и управление ими с целью повышения водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур.

На защиту выносятся:

1. Методический подход к оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов в рамках учения о почвенных водах и их ресурсах.

2. Результаты оценки и анализ условий формирования ресурсов почвенных вод на юге Русской равнины. Метод определения локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения.

3. Результаты оценки и анализ водообесеченности агроценозов на юге Русской равнины.

4. Результаты оценки гидрологической эффективности приемов «сухого земледелия», направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух. Метод расчета испарения воды почвой при мульчировании.

Научная новизна и практическая значимость работы. Работа выполнена в рамках развития географического и прикладного направлений учения о почвенных водах и их ресурсах. При оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов реализуется принципиально новый подход, при котором почвенные воды рассматриваются как гидрологический ресурс, необходимый для существования и развития растительного покрова. Показаны масштабы возможного использования этого ресурса для юга Русской равнины.

Выявлены и проанализированы закономерности географического распределения и временной изменчивости параметров, показывающих:

— эффективность использования ресурсов почвенных вод агроценозами;

— водообеспеченность агроценозов, оцениваемую через величину транспирации исходя из потребности растений во влаге и из того, насколько-эта потребность удовлетворяется в конкретных природно-климатических условиях;

— резервы возможного повышения водообеспеченности агроценозов.

Предложен метод оценки локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения сельскохозяйственных полей.

Впервые эффективность приемов «сухого земледелия» оценивается с позиций гидрологии, а не сравнением урожаев опытных участков с контролем. Это позволило выйти на зональный уровень обобщения. Разработан упрощенный метод оценки испарения воды почвой при мульчировании.

Результаты исследований могут представлять интерес для агроклиматического районирования, использоваться при планировании различных агротехнических мероприятий по повышению водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур, а также при разработке экологических программ рационального природопользования.

Реализация результатов диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы вошли в заключительные отчеты по различным тематикам государственных планов НИР, выполняемых Институтом водных проблем РАНпо грантам РФФИ № 03−05−64 238 «Развитие теории экологического нормирования в применении к водному режиму экосистем и экотонов речных пойм», № 06−05−6 464 159 «Современный гидроморфизм и биоразнообразие степной зоны России», № 07−05−593 «Тенденции увлажнения зональных ландшафтов Европейской России в ситуации глобального потепления XX—XXI вв.еков» и ряду других проектов.

Разработанная методика оценки ресурсов почвенных вод используется в лекционном курсе и на практических занятиях студентов по экологии агроландшафтов в Донском государственном аграрном университете.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований были доложены на следующих семинарах и конференциях: Заседание Гидрологической комиссии Московского отделения Русского географического общества (Москва, 2008), 7th International Conference «Influence of anthropogenic activities of water regime of lowland territory» and 17th Slovak-Czech-Polish Scientific Seminar «Physics of soil water» (Michalovce, Slovak Republic, 2008), IV Международный симпозиум «Степи Северной Евразии» (Оренбург, 2006), Международное совещание «Биоресурсы и биоразнообразие экосистем Поволжья: прошлое, настоящее, будущее» (Саратов,.

2005), Ежегодная молодежная научная конференция «Актуальные проблемы экологии в сельскохозяйственном производстве» (пос. Персиановский, Ростовская обл., 2003 и 2004), Всероссийский конгресс работников водного хозяйства (Москва, 2003), Всемирная конференция по изменению климата (Москва, 2003), Международная конференция «Взаимодействие общества и окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений» (Барнаул, 2003), International Conference on Water Problems in the Mediterranean countries (Nicosia, North Cyprus, 1997), European Geophysical Society, 22nd General Assembly (Vienna, Austria, 1997), European Conference on Applied Climatology (Norrkoping, Sweden, 1996), Regional workshop on climate variability and climate change vulnerability and adaptation (Praha, Czech Republic, 1995), V школа-семинар «Системные исследования водных проблем» (Москва, 1993), International Symposium «Advances in water sciences» (Stara lesna, Slovakia, 1993), Научно-практическая конференция «Стратегия экологической безопасности России» (Санкт-Петербург, 1992), а также на семинарах Лаборатории физики почвенных вод и Лаборатории наземных экосистем под влиянием водного фактора ИВП РАН, совместном заседании лабораторий гидрологии и климатологии Института географии РАН, совместном заседании секций Ученого совета ИВП РАН «Водные ресурсы и управление ими» и «Качество вод и экология». Основные положения диссертации отражены в 47 статьях и монографиив журналах, рекомендованных ВАКом, опубликовано 10 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 237 страниц компьютерного текста, включая 114 рисунков и 14 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 213 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

всходы.

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Ет/Ето жхж! о>о-ооср

0 02 0,4 0,6 0,8 1 Ет/Ето.

0 0,2 0,4 0,6 0,8.

Ет/Ето.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Ег/Ето.

Рис. 6.4.10. Зависимость величины водообеспеченности посевов яровой пшеницы в основные фазы развития растений при мульчировании почвы Ет/Етфмулч от водообеспеченности в условиях применения традиционной агротехники Ет / Ето.

Представление о межгодовой изменчивости параметра водообеспеченности посевов яровой пшеницы при мульчировании почвы Ет / ЕТО{М) дают кривые обеспеченности (рис. 6.4.11). Расчеты показывают, что при мульчировании почвы удается полностью избежать засух в Мироновке. В Каменной Степи каждые два года их трех растения не будут испытывать недостатка влаги, в Гиганте — каждый второй год, в Одессе — каждый третий. В Безенчуке один раз в 12 лет и в Ершове один раз в 24 года водообеспеченность яровой пшеницы может достичь оптимального уровня. 1.

0.75 сГ.

В 0,5 ¦8 w 0,25 0.

JOOoo,.

OOOOQ.

V,.

3Ооо.

Оо.

Безенчук.

25 50 75.

Обеспеченность, %.

100 1 0,75 | о 0,5 Щ й0.25 0.

Роо,.

Ооо,.

О0|.

00о-о,.

ООООо.

Ершов V.

25 50 75.

Обеспеченность, % 1 г 0,75 с: г.

О 0,5 ш0,25 О гОООООООООО ООО ООО.

Каменная Степь.

25 50 75 100.

Обеспеченность, %.

1 ¡-ОООООООООООООООООООООООО] хО, 75 4 5.

В 0,5 ш0,25.

Мироновка.

25 50 75.

Обеспеченность, %.

100 г 0,75.

8 0,5 Щ.

0,25.

ЭООООООООООООоо0000 Л.

25 50 75.

Обеспеченность, %.

Рис. 6.4.11. Кривые обеспеченности параметра водообеспеченности посевов яровой пшеницы при мульчировании почвы.

При средних для характерных станций значениях водообеспеченности посевов яровой пшеницы при мульчировании почвы от 1,00 в Мироновке до 0,71 в Ершове среднее квадратическое отклонение составляет 0−0,19, коэффициент вариации 0−0,27.

Более осторожные оценки эффективности влияния мульчирования почвы на водообеспеченность посевов яровой пшеницы на юге Русской равнины, выполненные по модифицированной методике, представлены в работе (Джоган, Гусев, 2003). Это касается как средних многолетних величин, так и данных за отдельные годы. Причина расхождений может заключаться в способе определения начальных запасов воды в почве, с которых начинается расчет. Согласно (Гусев, Джоган, 2000), в расчетах в качестве начальных запасов воды в почве как для случая применения традиционной агротехники, так и при мульчировании почвы использовались одни и те же значения — первые измеренные на агрометеорологической станции запасы воды в почве. В настоящей работе реализуется иной подход к оценке начальных запасов воды в почве при мульчировании, описание которого приводится в предыдущем разделе 6.4.1.

Следует отметить, что при оценках влияния мульчирования почвы на водообеспеченность посевов яровой пшеницы на юге Русской равнины (Джоган, Гусев, 2003) как в случае отсутствия мульчирующего покрытия так и при его наличии лежит зависимость (2.2.2), в основу которой положены выводы теории тепломассообмена. Здесь испарение воды почвой рассчитывается по двум разным алгоритмам: при отсутствии мульчирующего покрытия по эмпирической формуле (2.2.9), а при мульчировании почвы по зависимости (2.2.2).

Для оценки того, как методическая неоднородность моделирования процесса испарения воды почвой может сказаться на точности его (испарения воды почвой) определения, проведены расчеты испарения воды почвой для случая отсутствия мульчирующего покрытия по эмпирической формуле (2.2.9) ЕП (229) и по формуле.

2.2.2) ЕП (222). В первом случае (при расчетах Еп (220)) использовались измеренные декадные величины осадков, во втором (при расчетах ЕП (222)) — сумма осадков за месяц и число дней с осадками различной величины, то есть месячные данные. Для расчетов использованы материалы метеорологических наблюдений характерных станций за отдельные годы.

Результаты сравнения величин испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период, полученные по формулам (2.2.9) и (2.2.2) показаны на рис. 6.4.12. Коэффициенты корреляции между ЕП (229) и ЕП (222) для станций Безенчук, Ершов, Гигант и Одесса лежат в пределах 0,91−0,94. Более низкие коэффициенты корреляции отмечаются на станциях Каменная Степь — 0,84 и Мироновка — 0,48. Из этого можно сделать вывод, что чем больше увлажнена территория, тем больше расхождения между значениями испарения воды почвой, полученными разными методами. Если исходить из того, что мульчирование не должно изменять структуру гидрологического цикла (то есть не должно приводить к переувлажнению земель), то при его применении должно выполняться условие Ес = Е. Как было показано выше, это условие в среднем выполняется в.

Безенчуке и Ершове, небольшие расхождения (8−11 мм) наблюдаются в Гиганте и Одессе, и более значительные — в Каменной Степи (25 мм) и Мироновке (82 мм). Поэтому в данном случае, когда выполняется условие Ес = Емулч, правомерно обратиться для расчета испарения воды почвой как к формуле (2.2.9), так и (2.2.2).

Рис. 6.4.12. Сравнение рассчитанных за отдельные годы значений испарения воды почвой полей яровой пшеницы за безморозный период по эмпирической формуле ЕП (229) и по формуле, учитывающей просохший слой ЕП (222) для характерных станций.

Проведенные расчеты показывают, что снижение непродуктивного испарения в исследуемом регионе позволяет использовать для повышения водообеспеченности посевов яровой пшеницы (как и других ранних яровых о культур) 104 км резервов ресурсов почвенных вод, это составляет около 56% потребности воды на орошение всех засушливых земель исследуемой территории (Будаговский, Шумова, 1983).

Заключение

.

В основе выполненных исследований лежат теоретические положения модели формирования почвенных вод, разработанной А. И. Будаговским в рамках учения о почвенных водах и их ресурсах. При данном подходе почвенные воды рассматриваются как гидрологический ресурс, необходимый для роста и развития растительного покрова. Этот ресурс имеет количественную оценку и набор параметров, дающих представление о возможных масштабах его использования. Выполнена адаптация основных положений модели для практического применения в лесостепной и степной зонах, включая определение отдельных параметров. В целях обоснования достоверности основных выводов и точности полученных количественных величин проведена оценка точности модели, которая показала, что среднее квадратическое отклонение рассчитанных величин продуктивных запасов воды метрового слоя почвы от измеренных равно 21 мм, а систематическая ошибка равна 2,5%, что находится в пределах ошибки измерений влажности почвы. Характер и величина случайных расхождений между значениями испарения, определенными расчетным путем и по методу водного баланса, близки аналогичным оценкам точности расчета запасов воды в почве.

Количественной мерой ресурсов почвенных вод является суммарное испарение за безморозный период. Полученные в результате расчетов величины суммарного испарения и его составляющих позволили выявить закономерности их пространственного распределения, межгодовой и внутригодовой изменчивости. Предложен метод, на основании которого выполнена оценка и анализ локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения, обусловленной различиями условий снегораспределения и водопроницаемости почв в период снеготаяния.

Посевы сельскохозяйственных культур в лесостепной и степной зонах подвержены систематическим засухам. Расчеты показывают, что потребность в воде ранних яровых культур в средний по водности год обеспечивается на 80% на северо-западе исследуемой территории, снижаясь до 30% к низовьям Волги. Построена зависимость урожая зерна яровой пшеницы от водообеспеченности посева. Отмечается, что ресурсы почвенных вод расходуются крайне непродуктивно. Доля транспирации в суммарном испарении полей яровой пшеницы составляет 30−40%. Анализ полученных данных показал, что практически полного снижения засух можно достичь при изменении структуры суммарного испарения за счет снижения его непродуктивной составляющей.

В результате применения наиболее известных приемов агрогидрологического регулирования почвенных вод — задержание стока талых вод на сельскохозяйственных полях, зяблевая пахота, применение черных паров — происходит увеличение весенних запасов воды в почве. Вследствие этого практически на ту же величину возрастает суммарное испарение. В случае посева ранних яровых культур 65% от увеличения весенних запасов воды в почве идет на транспирацию, а 35% - на испарение воды почвой. Выполненные исследования показывают, что задержание стока талых вод, зяблевая пахота и парование полей могут привести к увеличению водообеспеченности посевов ранних яровых культур на юге Русской равнины на 10−20%. Это позволяет в средний по водности год избежать засух на северо-западе лесостепной зоны. При применении мульчирования почвы на значительной части лесостепной зоны в средний по водности год возможно полное прекращение засух, а на остальной части рассматриваемой территории водообеспеченность посевов может возрасти на 60%. Разработан метод, существенно упрощающий расчет испарения воды почвой при мульчировании, сохраняя при этом приемлемую точность.