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 2007 г 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. Повышения рентабельности сельскохозяйственного производства в регионе за счет сохранения плодородия почв, можно, 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 агроландшафтыводные объекты и ресурсымелиоративные приемы обработки почвысостав мелиоративных машиносушительныеканалыи коллекторы различных порядковглавные коллекторыводоотводы 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 научное обоснование мелиоративного комплекса для сохранения агроресурсного потенциала и охрань1 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 подтопленияпозволит повысить валовой сбор урожая основных возделываемых культур при экономии энергоресурсов на территории Азово-кубанского бассейна. Исследования! базируются на научных и практических результатах исследований ученых в области мелиорациии 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 (№ 1 200 113 456, 2001;05гг., № 01.2.006−6831, 2006;Югг.). • ¦ • «: /V.
Дель исследований;
Обоснование мелиоративного комплекса для сохранения агроресурсного потен-.. циала 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, влияющие на состояние техноприродной и средовоспроизво-дящей экосистемы.
Задачи исследований.
1. Установить причины подтопления и переувлажнения сельскохозяйственных земель с учетом особенностей возделывания основных культур в Устъ-Лабинском, Ко-реновском, 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) агро-ландшафтов 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 под топления.
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 подшпления 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 коллекторы 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, 2005 г.) — на научно-практической конференции ВСХА в г. Волгограде, 2005;07гг.- международной научно-практической конференции «Устойчивое производство риса: настоящее состояние и перспективы», г. Краснодар, 2006грегиональной научно-практической конференции «Сбалансированная система земледелия на агро-ландшафтной основе», г. Краснодар, 2006 г.- научно-практической конференции «Актуальные проблемы увеличения производства кормов, повышение качества и эффективности их использования», г. Краснодар, 2006 г.- научно-практической конференции «День мелиоративного поля», ст. Динская Краснодарский край, международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы селекции, технологии и переработки масличных культур» г. Краснодар, 2007 г.- международной научно-практической конференции «Производство, качество и рынок зерна России» г. Краснодар, 2007 г.- международной научно-практической конференции «Биоресурсы, биотехнология, экологически безопасное развитие агропромышленного комплекса» г. Сочи, 2007г- 1-ой и 2-ой международных научно-практических конференциях «Проблемы мелиорации земель и воспроизводства почвенного плодородия» г. Краснодар, 2008;09гг.
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 сельхозтовапроизводи-телями 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 20 000 тыс. руб. в ценах 2002 г. 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 281 странице диссертационной работы, опубликованы в 40 печатных работах, в том числе 3 монографиях, 10 научных печатных работах, в изданиях рекомендованных ВАК и 3 патентах на изобретения.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
1. Проблема снижения агроресурсного потенциала сельскохозяйственных земель от подтопления одна из актуальных в Кубанском регионе. В Краснодарском крае под влиянием естественных и антропогенных факторов в 2007 г было подтоплено и переувлажнено около 19,1% сельскохозяйственных земель. В бассейне р. Кирпили выявлено более 27,8% подтопленных земель. Основная причина роста подтопления территории Азово-Кубанского бассейна состоит в подпоре уровней Кирпильского лимана, несоответствием режимов притока паводковых и сбросных вод рисовых оросительных систем в лиман и их отвода из него в Азовское море. В последующие годы уровень подтопления сельскохозяйственных земель не снизился.
2. На территории бассейна в соответствие со стандартными методиками полевого опыта были выполнены детальные исследования о влиянии основных факторов на подтопление сельскохозяйственных земель, Для этого были выбраны 5 профилей, на которых был выделен 21 полигон площадью 4,3тыс. га с типовыми участками характерных почв, охватывающие более 75% его площади.
3. Установлено, что водопроницаемость почвы обуславливает переувлажнение сельскохозяйственных земель. Исследования показали, что незатопляе-мые почвы водоразделов, неподвергающиеся деградации от переувлажнения, имеют коэффициент фильтрации на уровне 0,47−0,50 м/сутки, а деградированные от переувлажнения почвы западин — 0,02−0,05 м/сутки. Переувлажнение почвы наступает в условиях бассейна р. Кирпили при достижении почвой влажности на уровне 25 — 26% (0,85 НВ).
4. Установлено влияние различных типов подтопления на урожайность основных сельскохозяйственных культур. При смешанном типе подтопления биологическая урожайность кукурузы на зерно не превысила 31,02 ц/га, тогда как урожайность для одних и тех же условий, но без подтопления, сельскохозяйственных земель достигла — 141,04 ц/га. Подпочвенное подтопление так же существенно снижает урожай кукурузы на зерно. Урожайность кукурузы при подтоплении не превысила 50,4 ц/га. Поверхностное подтопление угнетает растения сахарной свеклы, высота растений в среднем ниже на 10−15%, а средний вес корнеплодов меньше на 25−45%. Урожайность сахарной свеклы на не подтопляемых сельскохозяйственных землях в среднем на 30−70% выше, чем при их переувлажнении.
5. Установлено, что агроресурсный потенциал агроландшафтов бассейна зависит от гидротермического режима. Многолетние ряды Ку и ГТК за вегетационный период на территории региона характеризуются определённой изменчивостью: в сухие годы Ку и ГТК уменьшаются от линии тренда, а во влажные — увеличиваются на 30 — 40% соответственно. Установлено, что оптимальными условиями влагообеспеченности вегетационного периода для возделываемых 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.
6. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что потери урожая для засушливых лет (ГТК < 0,6) по сравнению годами, где ГТК = 1,0 -1,5 составляют: озимых культур — 21,5 — 22,3%, подсолнечника — 31,4%, сахарной свёклы — 37,4%, кукурузы на зерно — 58,3% и избыточно влажных лет для данных культур соответственно — 1,9 — 9,3%, 33,8%, 23,7% и 8,0%.
7. Разработан алгоритм, включающий шесть уровней, на основе которого, предложена новая технологическая система по охране сельскохозяйственных земель от подтопления: мониторинг земель сельскохозяйственного назначениясоставление характеристики и определение глубины и сложности деградации почвенных массивовсезонное подтоплениехарактер и направление располоподтопленных участков на местности, ах площадь и удельный вес в земельном массиверазработка комплекса технологических и агромелиоративных приемов, позволяющих ликвидировать или уменьшить зоны подтопления земельных массивов в агроландшафтахэкономическая оценка системы агромелиоративных приемоввыбор технологии возделывания сельскохозяйственной культуры на земельном массиве с учетом комплекса технологических и агромелиоративных приемов.
8. Обоснованы варианты комплексных мероприятий охраны сельскохозяйственных земель и технологические схемы обработки земель с использованием кротового дренажа для отвода избыточной воды из замкнутых понижений и регулирования водно-воздушного режима почв. Обоснован комплекс технологических операций повышения мелиоративного состояния почв с учетом предшественников и технологические карты для их осуществления.
9. Создана математическая модель по оптимизации выбора комплекса технологических операций по обработке почвы для охраны и сохранения агроре-сурсного потенциала сельскохозяйственных земель в зависимости от типа подтопления.
10. Обоснованы варианты режима эксплуатации Кирпильского лимана и параметры водоотвода паводковых и сбросных вод с Кубанской рисовой системы для снижения подтопления сельскохозяйственных земель Азово-Кубанского бассейна. Исследования, представленные в данной работе, послужили основой для разработки рабочего проекта «Улучшение отвода дренажно-сбросных вод с Кубанской рисовой системы в Краснодарском крае», внедрение которого обеспечит предотвращение ежегодного экологического ущерба на сумму 20 000 тыс. руб. Срок окупаемости инвестиционных затрат указанным доходом составит 6 лет.
