Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геокриологические основы мелиорации и рационального использования земель в Якутии

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Геокриологические основы мелиорации и рационального использования земель в Якутии"

ЭД' ^ Н

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Сибирское отделение Ордена Трудового Красного Знамени Институт мерзлотоведения

На нравах рукописи

ГАВРИЛЬЕВ ПЕТР ПЕТРОВИЧ

УДК 551. 345: 631. 6: 502

Г ЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕЛИОРАЦИИ И РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗЕМЕЛЬ

В ЯКУТИИ

04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Диссертация на соискание ученой степени док гора географических наук в форме научного доклада

Якутск - 1992

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения СО РАН

Официальные оппоненты - доктор географических наук

В.Р.Алексеев член-корреспондент Акад.техн.наук РСФСР, доктор биологических наук Г.В.Денисов.

доктор географических наук Н.Г.Москаленко

Ведущая организация - Якутский НИИ сельского хозяйства СО Россельхозакадемии

Защита состоится " $ "_апреля 1992г.

в час. ьА заседании специализированного совета Д.003.48.01

при Институте мерзлотоведения СО РАН (г.Якутск, ИЮ СО РАН, конференц-зал) .

С приложениями к докладу: монографией автора "Мелиорация мерзлотных земель в Якутии" (1991) и его брошюрой "Мелиорация и рациональное использование земель в Якутии при наличии подземных льдов" (1991) можно ознакомиться в научных библиотеках.

Доклад-автореферат разослан " " ¿сь^П*^ 1992 г. Отзывы, заверенные печатью в 2-х экз. , просьба присылать по адресу: 677018, Якутск, Мерзлотная I, Институт мерзлотоведения СО РАН, ученому секретарю специализированного совета Д.003.48.01

Ученый секретарь специализированного совета,

канд. техн. наук О.И.Алексеева

хшсты^ t«;: ,o:r;i I

j|I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ /. Л..."„ENS |

^сс^ртацкй |j^KTyajIbH0CTb работы. Эффективность использования сельскохо-""---• лнйсгвенных земель в районах криолитозоны, включая почти всю территорию Якутии, в значительной степени лимитируется криогенными процессами и явлениями. Широкое развитие этих процессов;, а также легкая ранимость природы Севера и ухудшающаяся мерзлотно-экологи-ческая обстановка на осваиваемых площадях вызывают необходимость решения специфических геокриологических проблем мелиорации, использования и охраны сельскохозяйственных земель.

Традиционные подходы (без геокриологического обоснования^ орвоенип и мелиорации мерзлотных земель не дают ожидаемого результата и даже, наоборот, нередко вызывают отрицательные последствия из-за их чрезвычайной уязвимости. В настоящее время околй'25-30% орошаемых и 35-40% осушаемых земель Якутии находятся в неудовлетворительном состоянии, а 15-20% пашен после раскорчевки леса пришли в негодность из-за коренного ухудшения мерзлотно-экологяческой обстановки (вытаивание подземных льдов, просадки и разрушение поверхности, заболачивание и аридизация, эрозия почв, деградация сельхозугодий). Это наносит огромный экологический и экономический ущерб, выражаемый в миллионах рублей. Все это является следствием недостаточной изученности комплекса сложных особенностей мерзлотных условий.

В последние 15-20 лет возрастает потребность, к результатам комплексных геокриологических, мелиоративных, гидротермических .и теплобалансовых исследований, которые дают прямую информацию и знание о геокриологических и экологических аспектах орошения, осушения и охраны земель и позволяют выработать на их основе теоретические представления о геокриологических основах мелиорации и рационального использования сельскохозяйственных земель в криоли-тозоне, в частности в Якутии.

Основная цель и задачи исследований. Основная цель исследований автора - выявить закономерности формирования мерзлотно-мв-лиоративного состояния орошаемых и осушаемых земель и их устойчивости при различных видах воздействия, а также разработать геокриологические основы оптимизации режимов мелиорации и рационального использования земель в условиях криолитозоны. Для достижения этой

цели ставились и решались следующие задачи: I) изучить особенности мерзлотно-гидротермических и водно-теплобалансовых характеристик орошаемых и осушаемых земель; 2) исследовать особенности формирования мерзлотно-мелиоративного состояния земель, подстилаемых многолетнемерзлыми грунтами (ММГ) и повторно-жильными льдами' (ПКИ); 3) выяснить закономерности взаимосвязей и взаимовлияний между мерзлотными почвами, криогенными процессами и освоением; 4) обосновать оптимизацию режимов гидромелиорации мерзлотных земель; 5) разработать методы определения режимов орошения и осушения мерзлотных сельхозугодий; 6) обобщить опыт и внедрить мерз-лотно-мелиоративные изыскания в криолитозоне; 7) разработать и внедрить противокриогенные мероприятия, направленные на предупреждение и ликвидацию термопросадОчных процессов на сельхозугодьях в целях их охраны в условиях криолитозоны.

Методика исследований. В основу исследований положен комплексный стационарный метод изучения особенностей теплового и водного балансов, влажностно-термического режима СТС, глубины залегания и мощности ПЖЛ, развития термопросадочных процессов и образований, состояния земель, а также режимов гидромелиорации и противокриогенных мероприятий. Эти характеристики на экспериментальных площадках определялись по единой программе инструментальными измерениями в соответствии с общепринятыми методиками Гос-комгидромета СССР, геокриологии, почвоведения (Полевые геокриологические исследования, 1961; Методика мерзлотной съемки,1979). Дополнительно к ним осуществлялись маршрутные мерзлотно-мелио-ративные исследования 12 действующих оросительных и осушительных систем. В исследованиях также применены расчетные методы решения задач на ЭВМ, метод ключевых участков и крупномасштабная (М 1:5000-1:10000) мерзлогно-мелиоративная съемка сельхозугодий на общей площади более 40 тыс.га.

Таким образом, достоверность представленных в работе результатов базируется на фактическом материале комплексных мерзлотных, теплобал&нсовых, гидротермических» мелиоративных, экологических и др. исследований, проведенных на современном методическом уровне. При обобщении использованы также литературные источники и .опыт мелиорации мерзлотных земель в Якутии за последние 30 лет.

Натчная новизна работы заключается в научно-методологиче-

скоп постановке изучения проблемы и представленных соискателем в следующих результатах.

1. Выполненные исследования позволили доказать, что геокриологические закономерности представляют стержень научной основы сельскохозяйственных мелиорации и рационального использования земель и их экологизации в условиях криолитозоны.

2. Впервые исследованы закономерности мерзлотно-гидротер-мического режима орошаемых и осушаемых почв, развитие первоначальных термокарстовых .процессов и разрушение сельхозугодий при наличии полигонально-жильных льдов.

3. Впервые установлены количественные мерзлотные показатели и градации устойчивости сельскохозяйственных земель для их оценки и выбора.

4. Впервые обоснована система противокриогенных мероприятий по стабилизации и ликвидации термокарстовых процессов,деформаций и разрушений поверхности' пашни.

5. Впервые изучен опыт и использованы специальные мерзлотные изыскания (съемка, районирование, прогноз) в целях мелиорации, рационального использования и охраны земель в крио-литозоне.

6. Впервые выработаны геокриологические особенности оптимизации режимов гидромелиорации сельскохозяйственных земель.

7. Разработаны и усовершенствованы методы определения рациональных режимов гидромелиорации в условиях криолитозоны.

8. Установленные закономерности теплового баланса, мерз-лотно-гидротермического режима орошаемых и осушаемых . почв, подстилаемых 1ЛМГ и ПЕЛ, позволяют прогнозировать и регулировать мелиоративное состояние земель для получения' высоких урожаев.

Практическое значение и реализация результатов работы. Материалы и результаты, составившие основу работы, были получены в процессе выполнения по заданиям ГКНТ, СО РАН (прог- . рамма "Сйбирь" 2.01.04.02, 3.7.2.6.2), Совета Министров Якутии (Постановления от 30.12.81 г., от 3.03.88 г.), по плановым темам Института мерзлотоведения СО РАН и Якутского отдела Сибирского НИИГиМа и по хоздоговорным работам с Востоксиб-гипровоцхозом, Якутгипровоцхозом и ЯНИИСХом. Они легли в основу 9 рекомендаций, разработанных автором самостоятельно и при его участии /6-15/. Эти рекомендации соискателя внед-

рены в практику проектно-изыскательских работ, орошаемого земледелия и луговодства, а также получили практическую реализацию в программах освоения и мелиорации новых земель (около 40 тыс.га) в Амгинской, Вилюйской и Заполярной зонах Якутии. Экономический эффект от внедрения работ составил 550 тис.руб. и ожидаемый на перспективу равен 5-7 млн.руб. (по ценам 1991г.).

Апробации работы. Основные результаты исследований докладывались на 15 республиканских, 5 зональных, 12 всесоюзных совещаниях, симпозиумах, конференциях и семинарах. В том числе на II Международной конференции по мерзлотоведению (Якутск, 1973), на расширенном заседании Научного совета по криологии Земли АН СССР (Москва, 1991), на всесоюзном семинаре "Рациональное природопользование в криолитозоне" (лкутск, 1990), е i;la-гадане (1972, 1981), Якутске (1966, 1972, 1986, 1291), Новосибирске (1969, 1972), Пущино (1980), Сыктывкаре (1981), Абакане (1980).

Личный вклад в решение проблема заключается в определении тематики научных работ, организации и руководстве созданных им, или совместно с другими сотрудниками, II стационаров, в непосредственном участии в основных наблюдениях на более, чем 120 опытных площадках; обобщении и анализе полученных результатов в качестве ответственного исполнителя или научного руководителя. По плану НИР автором и при его прямом участии выполнены 26 научно-технических отчетов.

Работа является итогом 26-летних (1965-1990 г.) комплексных исследований. Комплексные мерзлотно-гидротермические, теп-лобалансовые, микроклиматические и мелиоративные экспериментальные исследования относятся к числу первых в различных зонах Якутии. Исследованиями охвачены почти все виды мелиорации: лиманное орошение лугов, осушение заболоченных земель и термокарстовых озер, орошение дождеванием сельскохозяйственных культур, освоение пахотных земель путем раскорчевки леса, подстилаемых ММГ и ПЕЛ.

Публикации. По теме диссертации соискателем опубликовано около 40 работ,' включая три монографии, три научно-методические разработки и восемь рекомендаций. Две книги и четыре брошюры, написанные самим автором.

Структура работы. Диссертация выполнена на основе двух публикаций: "Мелиорация мерзлотных земель в Якутии" . - Ново-

(Г

сибирск; Наука, 1991. - 182 с. и "Мелиорация и рациональное использование земель в Якутии при наличии подземных льдов" (научно-методические рекомендации) - Якутск: ИМЗ СО СССР, 1991. - 72 с. Научный доклад состоит из общей характеристики работы, введения, четырех глав и заключения.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам Института мерзлотоведения СО РАН к.т.н. А.А.Манцарову, И.С. Угарову, Ж.И.Рысакову, В.С.Чердоновой, К.М.Федоровой и сотрудникам Якутского СибНИИГиМа Н.Н.Грицай, А.Н.Матвеевой, В.А.Румянцеву за участие в организации и проведении полевых исследований, а также за постоянную поддержку исследований и ценные советы члену-корр. РАН М.К.Гавриловой, д.г.н. А.В.Павлову, д.г.-м.н. В.Т.Балобаеву, д.г.-м.н. Н.П.Анисимовой.д.б.н. А.К.Коноровскому, д.с.-х.н. Л.Г.Еловской.

П. СОДЕЕЕАНИЕ РАБОТЫ

Введение

В изучении и научном обосновании мелиорации мерзлотных земель в Якутии выделяем два периода и несколько этапов.

Первый период (до 1958 г.) - народная (доинженерная) мелиорация. Она опиралась на вековые традиции и опыты лиманного орошения лугов и осушения термокарстовых озер для создания кормовых угодий.

Второй период - инженерная мелиорация. Начальный этйп (1958-1978 гг.) - становление инженерной мелиорации: изучение и обоснование методов и режимов мелиорации, проектирование и строительство первых мелиоративных систем инженерного типа. На I этапе мелиоративные работы и исследования выполнялись на уже обжитых пашнях и лугах с благоприятно установившимися мерзлотно-почвенными и гидротермическими условиями. В различных районах Якутии в основном изучались и разрабатывались биолого-почвенные, агроклиматические и агротехнические аспекты освоения и мелиорации мерзлотных земель выявлены особенности гидротермического режима орошаемых и осушаемых почв, режимы лиманного затопления лугов и вегетационных поливов сельхозкультур (А.А.Бмушевский, Е.П.Галямин, А.И.Демин, Л.Г.Еловская, И.Г.Дуслаев, А.А.Ыандаров, А.К.Ко-

норовский, Д.Д.Саввиков, П.П.Гаврильев, Г.В.Денисов, В.С.Стрельцова, В.В.Яковлев, В.Л.Сухов). '

В конце 70-х годов в лкутии начался II этап мелиорации и использования земель, но уже подстилаемых повторно-килъными льдами (ГПШ на глубине 0,4-1,5 м. При этом выяснилось, что имевшийся опыт и результаты предыдущего этапа исследовании не всегда могло применить там, где развиты 1Ш и льдокасыщенные грунты.

Для понимания слокных положений и аспектов сельскохозяйственных мелиорации и экологии мерзлотных агроландшасТ/гов определенное значение имели и имеют региональные закономерности распространения и развития многолетней мерзлоты, криогенных явлений д процессов (П.И.Мельников, ^.¡¡.¡'^чурии, Н.А.Граве, И.А.Некрасов, Ц.А.Соловьев, Е.Ы.Катасонов, В.Т.Балобаев, 'А.В.Павлов, М.К.Гаврилова, Ф.Э.Арэ, В.И.Втюрин, В.В.Баулин, Е.С.Гречищев, Г.З.Перяьштейн, Г.М.Фельдман, И.П.Анисимова, Т.Н.Каплина, В.Р.Алексеев, Н.11.Романовский, О.Н.Толстихин, Г.Ф.Гравяс, И.В.Юш.ювский, В.В.Кушщкий, 1.1.С.Иванов, И.С.Васильев, Н.П.Босиков, А.Н.Федоров и др.).

Несмотря на отдельные исследования различных вопросов улучшения мерзлотных почв, разработка проблемы геокриологических основ мелиорации и рационального использования земель во тогих ее аспектах в условиях криолитозоны оставалась недостаточно изученной.

В процессе дальшейго развития этих исследований опубликована обобщающие работы П.П.Гаврильева и А.А.Мандарова (1976), П.П.Гаврильева, А.А.Мандарова, И.С.Угарова (1984), П.П.Гаврильева (1988, 1991) /1-3, 14, 15/. Наш полевые исследования были проведены в Орядоникидзевском, Ыегино-Кан-галасскоы, Чурапчинском, Нюрбинском, Амгинском, Абынском, Якутском, Верхоянском районах лкутии.

Доклад основан на работах автора, опубликованных в П периоде развития мелиорации в Лкутии.

&

I. ОСОБЕННОСТИ МКРЗЛОТНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МЕЛИОРАЦИИ

Якутия входит в зону рискованного ведения земледелия и мелиорации из-за чрезвычайной суровости ее климатических и мерзлотно-почвенных условий, которые не имеют аналогов в мире. Сельскохозяйственные мелиорации осуществляются здесь в условиях: а) короткого вегетационного периода (от 50 до 90 дней); б) сильной изменчивости погодных условий (весенне-летние) заморозки, возвраты летом холодов до -3°С, жаркая погода с температурой воздуха 33-38°С, суховеи с влажностью воздуха менее 20-ЗС^, дефициты и избытки атмосферных осадков и т.д.); в) близкого залегания многолетней мерзлоты с ее сложными явлениями и негативными изменениями.

Мерзлотно-мелиоративными исследованиями (съемки М 1:5 ООО : I:IC С00) установлено, что повторно-жильными льдами, близко залегающими от поверхности (0,4-2 м), занято от 20 до 100$ площадей крупных тазжных и мелкодолинных сельхозугодий Якутии. Выявлено широкое развитие полигонально-жильных структур (ПЗКС): псевдоморфоз (грунтовых жил и подземных пустот) по частично оттаявшим псвторно-жильным льдам. Пустоты расположены под корнеобитаемым слоем с глубины 0,4-0,6 м в виде полигональной решетки над грунтовыми и ледяными жилами. Их щири-на 0,3-2 м, высота 0,1-0,7 м. Грунтовые (земляные) жилы образовались в результате частичного или полного заполнения пустот, обвалившимся или оплывши.! сверху почвогрунтом. Их высота изменяется от 0,5 до 1,0 м, ширина - от 0,8 до 2,С м. Объемная масса заполнителя 500-9СО кг/м3. Мерзлотные условия характеризуются значительной изменчивостью по площади, даже в пределах небольших участков в 10-20 га. Это обусловливает чрезвычайную сложность мерзлотно-экологической обстановки и уязвимость осваиваемых земель к мелиоративным воздействиям. Аласные и пойменные земли имеют относительно благоприятные мерзлотные условия.

Можно заключить, что геокриологические условия таежных и долинных земель Якутии сказались намного сложнее, чем отражались в научной литературе. Мерзлотный фактор (многолетняя мерзлота, криогенные процессы и явления и Т.д.) - главная природная причина в Якутии, ограничивающая эффективное развитие мелиорации и играющая решающую роль в определении принципов и методов рационального использования земель. Это требует нового подхода к проблемам создания научной основы и

технологии мелиорации мерзлотных земель.

2. МЕРЗЛОТНО-ГВДРОТЕРМИЧЕСКИЙ. РЕЖИМ ОРОШАЕМЫХ И ОСУШАЕМЫХ ПОЧВОГРУНТОВ ПРИ НАЛИЧИИ ПОЛИГОНАЛЬНО-ЖИЛЬНЫХ ЛЬДиВ

2.1. Теплобалансовые закономерности формирования мелиоративного состояния мерзлотных земель

Особенности теплового баланса поверхности естественных и сельскохозяйственных ландшафтов Якутии подробно освещены в работах автора /I, 2, 17/ и других исследователей (М.К.Гав-риловой, A.B. Павлова, К.Е.Кононова, А.А.Богушевского, Е.П.Га-лямина, П.Н.Скрябина, О.И.Алексеевой и др.).-

Систематизированы и обобщены имеющиеся данные по тепловому балансу поверхности по основным видам агроландшафта и сельхозугодья в Якутии при орошении, осушении и культуртехнических работах. Основные составляющие теплового баланса (величины радиационного баланса к , теплового потока в почву Ъ , суммарного испарения LE , турбулентного теплообмена почв с атмосферой Р) и глубина сезонного протаивания почвогрунтов являются энергетическими показателями различных видов агроландшафта и сельхозугодья в условиях криолитозоны /I, 15/.

Автором установлены следующие закономерности теплобалан-совых условий формирования мелиоративного состояния земель:

а) Оптимальному режиму орошенияи и осушения (оптимальной влажности почв) соответствует строго определенная структура теплового баланса для получения наиболее высоких урожаев:

LS/ K-b= 0,70-0,80; f>/ К-fi =0,10-0,20; £,Д=0,09-0,12 Около 70-80% теплоэнергетических ресурсов расходуется на суммарное испарение (водопотребление) в зависимости от вида растений. Например, для злаково-разнотравных лугов коэффициент водообеспеченности (теплобалансового оптимума) составляет £ - 0,80 (где LE - затраты тепла на суммарное

водопотребление трав; ft, и Ь - радиационный баланс и тепловой поток в почву при оптимальном уровне увлажнения почв 70-90^ HB (наименьшей влагоемкости).

б) Увлажнение почвы и режим орошения могут характеризоваться структурой теплового баланса. Приняты и обоснованы следу ющие условия:

При 0,75 < Llj(K- 0,85 формируется высокий уро-

Ю

жай вследствие оптимального соответствия увлажненности и теплоэнергетических ресурсов района. Этот критерий характеризует рациональный режим орошения и хорошее мелиоративное состояние лугов.

При |.£К, - Ь) > С,85 происходит снижение урожайности в результате повышенных норм орошения, т.е. недостатка тепловых ресурсов для продуктивного использования влагозапасов почвы. Такое соотношение указывает на тенденцию к ухудшению водно-теплового режима почвы.

При ЬЕ Д к - Ь)<С,75 происходит существенное снижение урожайности ввиду пониженных норм орошения, т.е.увлажнение при данных теплоэнергетических ресурсах будет недостаточным. Луга имеют тенденцию к иссушению.

в) Определенные значения в соотношениях составляющих те.п-лового баланса и их изменения наиболее достоверно характеризуют гидрометеорологический и гидротермический эффекты орошения и водообеспеченности растений, а также мелиоративное состояние земель в условиях криолитозоны.

2.2. Мерзлотно-гидротермический режим почвогрунтов при раскорчевке леса и вспашке

При анализе мерзлотно-гидротермического режима осваивае- . мых земель и их устойчивости, таежный ландшафт и другие виды сельхозугодий можно рассмотреть как многокомпонентная (многоярусная) мерзлотная экосистема: растительный покров (РП) -напочвенный покров (НП) - сезонноталый слой (СТС) - многолет-немерзлые грунты (ММГ) - повторно-жильные льды (ПЖЛ) со сложившимся равновесием (В.Л.Шур, 1988; П.П.Гаврильев, 1988, 1991). Общая схема изменения мерзлотной обстановки деятельного слоя почвогрунтов, нарушение поверхности под влиянием комплексных мероприятий (раскорчевка леса, обработка почвы, орошение и т.д.) представлена на рис. I.■

Мерзлотно-гидротермический режим почв и нарушение их устойчивости при раскорчевке леса и вспашке подробно освещены в работах автора /2, 3, 15/. В частности установлено, что при освоении таежных земель под паши, сведении к нулю затеняющей роли леса, удалении теплоизолирующих напочвенных покровов (лесной подстилки, мха) непременно обусловливается возрастание тепловой нагрузки" на почвогрунты, повышение температуры корнеобитаемого слоя на 2-7°С, увеличение глубины

а. Ла сельскохозяйственного осВоения

% I 9 | Ф

5. После освоения (уничтожение леса,, и напочёен -кого покроБа, Вспашка)

——11-13м—— _ _

Л После пробедения полиЁоВ

Ш/ а а ЕНк а

Рис. I. Схема изменения мерзлотно-мелиоративной обстановки под влиянием сельскохозяйственного освоения и орошения.

I - растительный покров (лес); 2 - напочвенный покров; 3 - почвенный покров; 4 - границы мерзлоты; 5 - пустоты (воздушные полости); б - рыхлые грунтовые жилы; 7 - ШЛ; глубина сезонного протаивания почвогрунта и залегания ШЛ;

и Н}- до освоения, и ^ - после освоения, £,п и Н3 - по-' тенциальная (возможная) глубина после орошения; § - терио-просадка.

сезонного протаивания почв в 1,5-3 раза в Центральной Якутии и в 2^4 раза в Заполярной Якутии, а также интенсивное вытаи-вание ПЖЛ и развитие термопросадок глубиною 0,5-0,8 и. На эти процессы влияет и уменьшение мощности защитного сезонно-тало-го слоя почвогрунтов над ПЖЛ за счет образования микропонижений и ям глубиной 0,1-0,3 м на местах удаления крупных деревьев и пней.

Выявлено регулирующее влияние вспашки на термический режим почвы на 0,5-1°С. При ежегодной вспашке и посеве сельскохозяйственных культур часть почвы сносится в просадки и в канавки проседания. При этом, термопросадки в какой-то мере закапываются и поверхность полей выравнивается, примерно от 0,1 до 0,3 м. В результате этого толщина защитного слоя - почвогрунтов СТС, прикрывающего повторно-жильный лед, возрастает, и это увеличивает время, необходимое для протаивания этого слоя. Вследствие чего вероятность интенсивного вытаивания ПЖЛ и развития термопросадок существенно снижается. В условиях криолитозоны Якутии кроме прямого назначения ежегодная обработка почвы имеет и другое положительное значение - это существенный эффект выравнивающий термопросадки и уменьшающий нарушения, что способствует в значительной мере сохранению устойчивости пашни при использовании.

2.3. Нерзлотно-гидротермический режим почвогрунтов при лиманном орошении и осушении

Лиманное орошение. Основная особенность лиманного орошения лугов в Якутии - орошение по мерзлым или частично оттаявшим почвам в условиях короткого вегетационного периода. Различные вопросы лиманного орошения лугов на мерзлотных почвах рассмотрены в работах соискателя с соавторами /I, 2, 6/ и других авторов (А.И.Демина, А.А.Мандарова, А.А.Богушевского, Е.П.Галямина, Х.И.Смолина, В.В.Яковлева, М.М.Старостина).

При анализе особенностей протаивания почв- под водой (в период затопления лиманов) в зависимости от начального срока, продолжительности и глубины затопления, начальной влажности Сльдистости) и т.д. автором установлено:

а) при малой глубине затопления (0,5-0,7 м) протаивание под водой возрастает на 10-20%, при большой (1,5-2,5 м) отстает лишь на 10-15% при одних и тех же значениях начальной

влажности (льдистости) мерзлых почв, что не подтверждает бытующее мнение о значительном отрицательном эффекте метода глубокого затопления лугов на тепловой режим почв; б) позднее (в конце - начале июня) и длительное затопление с продолжительностью более 10-15 сут. вызывает значительное уменьшение интенсивности протаивания; в) глубину протаивания на лиманах можно регулировать начальным сроком, продолжительностью и мощностью затопления.

1 В результате лиманного орошения происходит значительное-изменение водно-теплового режима СТС. При лиманном орошении аккумулирует влагу только талый слой почвы до ее полной вла-гоемкости ( порозности), так как мерзлые почвогрунты практически водонепроницаемы. Влажность почв орошаемых лугов варьирует в широких пределах от влажности разрыва капилляров до полной влагоемкости. Лиманное орошение, проводимое в первый год на лугах с иссушенной почвой ( & < Ю-15$), способствует увеличению глубины протаивания на 2С—40 см. После первого года орошения весенняя влажность корнеобитаемого слоя почв возрастает до 30-40$ от объема, что в следующие годы приводит к уменьшению интенсивности протаивания /I/.

После орошения коэффициенты объемной теплоемкости, теплопроводности и теплоусваиваемости увеличиваются в 1,4-1,7 раза, тепловой поток в почву и интенсивность протаивания возрастают на 10-35%. При прогнозных расчетах величину теплового потока для орошаемых лугов можно принимать равной от радиационного баланса. При орошении температура поверхности почвы понижается в среднем на 3-5°, в верхнем слое почвы (до 30 см) - на 2-3°, а в нижних слоях активного слоя почвогрунта происходит повышение температуры на 1-3°, что предотвращает чрезмерный перегрев почвы, сглаживает пагубное влияние засушливости климата и смягчает отрицательное влияние многолетне-мерзлых пород на развитие трав. В дальнейшем (во второй половине вегетации) тепловой эффект орошения регулируется ростом и развитием трав. В большинстве случаев к концу лета глубина протаивания как на неорошаемых, так и на орошаемых лугах примерно одинакова.

Следующая особенность заключается в том, что влагопере-нос происходит только в полутора-двухметровом сезоннопротаи-•ващем слое почвогрунта. Из-за незначительной его мощности велика опасность переувлажнения и заболачивания почвы. Установлено, что при повышенных■нормах орошения коренное ухудше-

ние водно-теплового режима почвы (заболачивание, охлаящение и сокращение сезоннопротаивагощего слоя, снижение урожайности) может произойти за очень короткий слой (2-3 года).

В целом лиманное орошение оказывает положительное влияние на водно-тепловой режим вГС для развития трав.

Осушение термокарстовых озер издавна проводится в Якутии для создания сенокосов и пастбищ. В особенностях формирования мерзлотно-гидротермического режима осушаемых почв, растительного покрова, развития и деградации лугов имеется ряд общих закономерностей.

После спуска озер на их днища начинают воздействовать две противоположно направленные группы факторов:

- благоприятные сочетания остаточных запасов тепла и влаги спущенного озера, обусловливающие развитие зеленого "оазиса" - луга;

- суровые (зональные) климатические и мерзлотные факторы, которые на поверхности донных отложений осушенного озера вызывают формирование зональных экоценозов с участием мхов и кустарников.

Действие первой группы факторов со временем слабевает и затухает под воздействием мощных зональных факторов. С первой же зимы начинается процесс естественного промерзания под-озерного несквозного талика. Глубина сезонного промерзания резко превышает глубину сезонного протаивания (0,6-1,2 м). В перовые 1-2 года после осушения термокарстового озера в подозер-ном талике может появиться слой новообразований мерзлоты (перелетки мерзлых пород), что практически изолирует приток остаточного тепла и влаги из нижних слоев подозерного талика. При существующих примитивных методах мелиорации после опорожнения термокарстовых озер постепенное ухудшение водно-теплового режима почв и деградация лугов - неизбежный процесс, обусловленный суровыми мерзлотно-климатическими факторами.

Вид и состав луговой растительности и частота их смены однозначно связаны с интенсивностью осушения и водно-тепловым режимом осушаемых почв. По этим особенностям "жизнь" осушаемых лугов можно подразделить на:

- первый период ( Т^ ) - продолжительность улучшения водно-теплового режима почв и развития луга со времени опорожнения термокарстового озера ( Т ) по мере осушения или уменьшения избыточной влаги до оптимальной (90—100^ НВ).

Процесс осушения в .условиях Якутии имеет затяжной характер, развитие сенокосных лугов длится -от 3 до 1С лет в зависимости от типов водного питания, метеорологических условий и интенсивности осушения;

- второй период ( Т2 ) - продолжительность высокопродуктивного долголетия сенокосного луга и рационального теплового и водного режимов слоя сезонного протаивания составляет от 3 до 40 лет. При осушении перенос тепла и влаги происходит, в основном, в верхних сезоннопротаивающих слоях. Осушение и де-сукция снижают влажность донных отложений от полной влагоем-кости до влажности разрыва.капилляров. Температура верхнего 20 см слоя почвы может повышаться от 2-4°С до 8-Ю°С, что достаточно для нормального роста и развития луговых трав;

- третий период ( "Ts ) - продолжительность деградации луга С вырождение ценных видов трав, омоховение поверхности почвы, закустаривание) и ухудшения водно-теплового режима почв (уменьшение мощности СТС до 0,5-0,6 м, вторичное заболачивание, охлаждение корнеобитаемого слоя на 3-5°С или переосушение и т.д.).

Исследование действующих осушительных систем выявило особенности взаимосвязи мерзлотно-гидротермического режима почв СТС с развитием и деградацией лугов, развивающихся на днищах осушенных термокарстовых озер в Заполярной Якутии, что позволяет регулировать продолжительность жизни осушаемых лугов /3, 14/.

Осушение заболоченных мерзлотных земель. На избыточно увлажненных землях льдистость грунтов достигает 40—объема грунта. По мере.осушения глубина сезонного протаивания увеличивается по сравнению с исходной в зависимости от природных зон: в лесотундре в 3 раза, в северной тайге - в 2,5 и средней - в 2 раза. При этом величина неравномерной тепловой осадки составляв!" 0,1-0,4 м /2, 3, II/.

Возможные изменения водного режима СТС под влиянием осушения впервые охарактеризованы уточненными уравнениями водного баланса за счет учета притока воды от частичного вытаивания ПМЛ и подпитки корнеобитаемого слоя из нижних горизонтов за счет капиллярного тока и миграции влаги при промерзании. С увеличением мощности сез'онноталого слоя во влагооборот с верхним корнеобитаемым слоем почвы и атмосферой . включается

ТБ

влага, ранее консервированная в нижележащих слоях в виде льда. За счет капиллярного подъема влаги наблюдается интенсивная подпитка корнеобитаемого слоя при влажности выше НВ. Глубина подпитки корнеобитаемого слоя, представляющая мощность активного тепло- и влагообмена осушаемых мерзлотных почв, определена равной 2/3 СТС. При осушении мощность слоя, участвующего в подпитке корнеобитаемого слоя, увеличивается на 0,1-0,5 м в зависимости от типа и глубины протаивания почв. Вследствие этого величина подпитки корнеобитаемого слоя с этих нижних влагонасы-щенных горизонтов колеблется от 10 до 40 мм для торфянисто-болотных почв.

Другим важным составляющим уравнения водного баланса при осушении земель в Якутии служит приток воды от частично вытаивающих ПЖЛ с окружающей водосборной площади. Эта часть питания почв влагой, возникающая при определенных метео- и гидрологических условиях и при антропогенных воздействиях, составляет от 15 до 45 мм, что достаточно" для вторичного заболачивания осушенных земель.

Найдено, что основные сложности осушения заболоченных земель в Якутии связаны с близким (0,4-1,0 м) залеганием многолетней мерзлоты, избытком влаги и недостатком почвенного тепла. Незначительные мелиоративные воздействия вызывают переувлажнение или переосушение мерзлотных почв, термопросадки до 0,4-0,7 м с сильной деформацией и разрушением поверхности за короткий срок 3-5 лет из-за малой мощности (0,9-1,2 и) и малой водовместимости (200-300 мм) СТС и близкого залегания. ПЖЛ (0,4-0,5 м).

2.4. Мерзлотно-гидротермический режим почвогрунтов при орошении дождеванием

Деятельный слой у многих таежных и долинных земель рассечена на четырех-пятиугольные полигоны за счет криогенеза. Как правило, эти криогенные образования на поверхности поля проявляются в виде различных форм мерзлотного микрорельефа: канавки проседания над ними, бугорки или небольшие повышения внутри полигонов и другие деформации, которые обусловливают развитие неравномерного поверхностного стока при поливах. В грунтовых жилах заключены воздушные полости и морозобойные трещины шириной 0,5-3 см. Земляные жилы отличаются значительной рыхлостью и провальной водопроницаемостью (180-200 мм/ч

17

!! более). Поэтому псевдоморфозы (полигональная система рыхлых земляных мил и подземных пустот), играя роль системы подземных дренажных труб, - главная причина инфильтрации поливных вод за пределы корнеобитаемого слоя и их потери. Процесс инфильтрации поливной воды усиливается также развитием поверхностного стока на невыровненных полях. Вследствие этого фор/ируются следующие характерные особенности водного режима орошаемых почв, вызванные криогенными процессами и образованиями:

а) неравномерное распределение воды и тепла как по площади поля, так и по вертикальному профилю СТС; б) на орошаемых участках влажность в земляных (грунтовых) жилах и под термопросадками над ПЖЛ превышает влажность вмещающих их почво-грунтов в 1,5-2 раза (рис.2); в) образование локальных кратковременных надмерзлотных вод в пониженных местах рельефа над ПЖЛ; г) величина суммарной непроизводительной потери поливной, воды (инфильтрация поливной воды и поверхностный сток) может колебаться в больших пределах от 12 до 54 (от 10 до 37% оросительной нормы) в зависимости от степени сложности мерзлотных условий и режима орошения.

При орошении дождеванием развиваются два основных противоположно направленных теплофизических процесса - отепляющий и охлаждающий, под влиянием которых находятся формирование мерз-лотно- гидротермического режима почвогрунтов и в целом мелиоративное и экологическое состояние земель.

Отепляющий эффект орошения развивается как суммарное влияние двух процессов: а) увеличения потока тепла в почву на 10-30% за счет роста теплофизических свойств почвы в 1,5-1,7 раза из-за повышения ее влажности; б) притока дополнительного тепла с поливной водой от верхних слоев к нижним - границе фазового перехода. При этом оросительная вода (1200-1500 м3/га) с температурой 18-20°С оценена как дополнительный источник тепла, обусловливающий повышение температуры СТС на 0,5-1°С и увеличение глубины сезонного протаивания на 10-20% (0,2-0,4 м). Такое отепляющее влиялие орошения может иметь как положительные, так и отрицательные последствия в зависимости от начальных мерзлотных условий и величины нормы поливов:

- улучшение водно-теплового режима почв для интенсивного роста и развития растений при частых поливах малыми нормами 30-50 м3/га и чередовании пониженных поливных норм 150-200 м3/

Литология ОсбЮ Скб 11

I

а

Ж

у ч*

Литология

Скб 13 Скб. К

1

Ш

• Рис. 2. Влияние криогенных явлений на влажность почвы при орошении на Амгинском стационаре (а - распределение влаги при наличии псевдоморфозы по жильному льду и подземной пустоты; 6 - распределение влаги при наличии рыхлых грунтовых жил).

I - влажность почвогрунтов внутри полигонов (по скв.Ю, 13); 2 -.влажность рыхлых грунтовых жил (псевдоморфоз) над жильными льдами (по скв. II, 14); 3 - суглино«; 4 - пустота в грунтах после частичного таяния жильного льда, 5 - рыхлые грунтовые Килы; 6 - переувлажненный слой суглинка; 7 - верхняя граница мерзлоты; 8 - повторно-жильный лед.

/га с обычными (умеренными) ЗС0-350 м3/га;

- частичное или полное вытаивание подземных льдов, развитие термопросадок, водно-мерзлотной эрозии почв при наличии подземных льдов, рыхлых грунтовых жил, морозобойных трещин в пределах глубины мелиоративного воздействия, особенно при повышенных нормах полива (35С-45С м3/га и более).

На режим мерзлотных почв действует и обратный, охлаждающий, эффект орошения, который может иметь и положительное, и отрицательное значение. Определена критическая влажность (льдис-тость) почв ^ , равная около 90-100?, НВ и представляющая границу положительного и отрицательного влияний•орошения на мерзлотно-мелиоративное состояние земель и их устойчивость. При ежегодных рациональных режимах орошения, по мере роста влажности (льдистости) почвы до ее верхнего порога ^ =90-100^ НВ, уменьшение глубины сезонного протаивания за счет увеличения затраты теплового потока на фазовый переход происходит незначительно, в допустимых пределах - до 1С7 от многолетней нормы, что обусловливает стабилизацию мерзлотно-мелиоративного состояния орошаемых полей и затухание первичных термокарстовых процессов и образований.

При влажности (льдистости) орошаемых почв выше около 60-805? теплового потока в почву затрачивается на фазовый переход воды (на таяние льда). При ежегодном повторении повышенных норм орошения переувлажнение надаерзлотного слоя при глубоком промачивании почвы и связанное с ним поднятие верхнего уровня многолетней мерзлоты приводит к сокращению мощности СТО на 20-30? и охлаждению корнеобитаемого слоя на 3-5°С, что вызывает снижение термических ресурсов почвы и урожайности культур.

Отметим, что впервые количественно оценены все основные приходные и расходные составляющие водного баланса мерзлотных почв при наличии ПЕС и ПЖЛ с учетом различных видов и нагрузки мелиоративного воздействия. Систематизированы имеющиеся данные по влажностно-термическому режиму и протаиванию мерзлотных почв Якутии по их основным типам в целях мелиорации и орошаемого земледелия. Эти научные результаты исследований обобщены и представлены в виде таблиц и графиков для практического применения (см.гл.З монографии 1991 и научно-методические рекомендации 1991) /3, 15/.

<

2.5. Термопросадки и разрушение поверхности мерзлотных земель при мелиорации

Наиболее распространенный отрицательный криогенный процесс при мелиорации и использовании земель в Якутии - первоначальные термокарстовые процессы я образования, вызывающие коренное ухудшение мерзлотно-гидротерлического режима почв и формирование как низкопродуктивных, так и бросовых (техногенных) ландшафтов в различной степени разрушенных и эродированных. В отличие от других работ (Н.А.Граве, П.А.Соловьев, Ю.Л.Йур, Г.М.Фельдман и др.) особенности развития терлопро-садок и разрушения поверхности полей исследованы и обоснованы с учетом вида и нагрузки мелиоративного воздействия.

Особенности термопросадок и разрушения поверхности орошаемых долинных земель при наличии полигонально-жильных структур. Предопределяющими первональными мерзлотными условиями развития тер/опросадок при орошении являются три разновидности полигонально-жильных структур (ПЖС): I) рыхлые грунтовые (земляные) жилы в слое сезонного протаивания; 2) псевдоморфозы по жильным льдам как многоярусные криогенные образования (подземные пустоты под корнеобитаемым слоем, рыхлые грунтовые жилы и лед); 3) повторно-жильные льды, залегающие в пределах глубины мелиоративного воздействия.

Впервые экспериментально установлено, что при наличии ПЖС просадка может достигать до 0,8-1,1 м и складывается из трех составляющих: а) высоты подземной полости до обрушения кровли над ней; б) величины осадки рыхлых грунтовых жил за счет их разрушения и уплотнения при инфильтрации поливной воды; в) толщины слоя оттаявшего жильного льда, что позволяет производить приближенную оценку и прогноз развития терлопро-садочных процессов, нарушения поверхности полей и т.д. (см. ниже разд. 2.6),

Особенности терлопросадок и разрушения поверхности полей при освоении и мелиорации таежных земель в условиях близкого залегания подземных льдов.. Работы по раскорчевке леса под пашню с последующим орошением осуществляются на участках высоких' надпойменных террас и в междуречьях крупных рек Лена, Амга, Вилюй, Алдан и других, где широко распространены мощные ледовые комплексы и повторно-жильные льды, нередко залегающие близко от дневной поверхности (с глубины 0,6-2,5 м).

Анализируя материалы исследований, можно сформулировать основные положения и особенности развития криогенных процессов и деформации поверхности поля под влиянием мелиорации.

1) При орошении негативные криогенные процессы (вытаива-ние подземных льдов, просадки, деформации и разрушения поверхности, эрозия почв и т.д.) интенсивно развиваются только при наличии условий и факторов, определяющих из возникновение и развитие: при наличии близко залегающих от поверхности ПЕЛ, псевдоморфоз по жильному льду (грунтовые жилы, пустоты) в пределах потенциальной глубины сезонного протаивания или мелиоративного воздействия (см.рис. I); при неправильном выборе земель со сложными почвенно-мерзлотными условиями без предварительной геокриологической съемки, использовании нерациональной технологии, методов и режимов мелиорации.

2) Под воздействием отепляющего влияния расчистки леса, удаления теплоизолирующего напочвенного покрова и орошения изменение мерзлотно-мелиоративного состояния земель и разрушение их поверхности имеют чрезвычайно сложный характер и проявляются в основном в первые три-пять лет, а иногда в течение относительно длительного времени (7-10 лет) в виде неравномерной тепловой осадки и первоначальных термокарстовых образований "зачатачный былар", "зрелый былар", "ие" с глубиной 0,3-1,0 м и более (по классификации П.А.Соловьева).

3) На полях Амгинского стационара и Кердюгенской оросительной системы установлено, что в течение 10-25 лет периоды интенсивного развития, затухания и возобновления интенсификации процесса первоначальных тер.юкарстовых образований на осваиваемых и используемых пашнях могут чередоваться в различных вариантах и в разной продолжительности по времени в зависимости от мерзлотных условий, вида и нагрузки мелиоративного воздействия. Например, на массиве Кердюген развитие бьшара после раскорчевки леса интенсивно шло местами в течение 5-10 лет (1964-1973 гг.), затем в течение 6 лет (1974-1979 гг.) было затухание и стабилизация, а после - процесс возобновился от былара до стадии ие, но под отепляющим влиянием орошения после строительства Кердюгенской системы в 1980 г. Процесс последней стадии развивался на различных участках Кердюгена в течение 4-6 лет в период эксплуатации оросительной системы (1981-1986 гг.) вследствие нерациональных режимов орошения, обильной течи воды на стыках труб

РТ-180. В результате, в 1987 г. на пашне Кердюген-2 выделены 24 локальных просадочных участка, из них три ие с озерками. Размеры самого крупного участка с просадками - 80x30 м, а глубина отдельных просадок до 0,8-1,0 м. После прекращения работы этой системы в последующие четыре сезона (1987-1991гг.) активизация процесса терлокарста не зафиксирована, т.е. произошло его затухание и стабилизация.

4) При освоении и мелиорации вероятность развития терло-просадок и их величина возрастает с ростом льдистости почвогрун-тов, а главное с увеличением разницы между максимальной глубиной сезонного протаивания и исходной глубиной залегания повторно-жильных льдов. Около 30-35$ глубины терлопросадки достигают

в конце второго лета. Затем постепенно происходит их стабилизация и затухание.

5) Процессы стабилизации и затухания негативных терлопро-садочных процессов также обусловливаются определенными условиями и факторами. К ним относятся обратное охлаждающее влияние орошения, развитие растительности, выравнивающий эффект обработки почвы на величину термопросадки (в среднем на 0,1-0,3 м), назначительная мощность слоя мелиоративного воздействия ( 0,3-0,8 м; где ^ - глубина сезонного протаивания до мелиорации), холодная зима и др., которые ограничивают возможность развития термокарста (озера).

6) При мелиоративных воздействиях на осваиваемых землях терлокарстовые процессы убыстряются в 4-10 раз и более. Под влиянием раскорчевки леса, орошения, а также при разрыве трубопровода и накопления воды в просадках возможно вытаивание больших скоплений подземных льдов и образование за 5-10 лет небольшого термокарстового озера (дюедя). Так, под Якутском около пашни Кердюген-2 образовались два дюедя диаметром 50-70 м и глубиною 3^4 м за 5 лет (1981-1985гг.) в результате регулярной утечки воды из труб.

7) После раскорчевки леса и орошения разрушающее действие на пашню оказывают две другие стадии терлокарстовых образований (зрелый былар, ие). Однако, ие и дюедя могут развиваться в редких случаях, не более 0,5-1$ от общей площади осваиваемых участков.

8) В конечном итоге, развитие терлопросадочных и полигональных образований неизбежно влечет за собой деградацию сельхозугодий и снижение эффективности мелиорации. При этом имеет

место образования таких техногенных ландшафтов как: полуоголенные и разрушенные земли в различной степени, малопригодные или бросовые; полуоголенные холодные земли с низкими термическими ресурсами и низкой биологической активностью из-за преобладания охлаждающего влияния орошения как результат ежегодного глубокого промачивали?! (инфильтрации) поливной воды; старение и деградация лугов: омоховение, исчезновение ценных злаковых трав; вторичное заболачивание и иссушение при осушительных.и оросительных мелиорациях. Отмечается также и снижение урожайности в 1,3-3 раза при развитии термопросадочных процессов и разрушении поверхности сельхозугодья от слабой до очень сильной степени 'просадки глубиною от 0,3 до 1,0 м и более) /3, 15/.

2.6. Оценка и приближенный прогноз мерзлотно-мелиоратив-ного состояния земель

В последние годы практика сельскохозяйственного освоения и мелиорации земель в Якутии, Забайкалье и Магаданской области выдвинула остро актуальную проблему: необходимость прогноза изменения мерзлотно-мелиоративных условий орошаемых и осушаемых земель с целью их регулирования. В.А.Кудрявцевым и др. (1978), С.Е.Гречищевым и др. (1980), А.В.Павловым (1980), Ю.П.Шуром (1977), Г.М.Фельдманом (1984) и др. разработаны методы геокриологического прогноза. Некоторые положения и методы геокриологического прогноза можно использовать при-оценке и прогнозе мелиоративного состояния земель в рассматриваемой зоне. Так, приближенный прогноз мелиоративного состояния мерзлотных земель основывается в определении характеристик влажностно-термического режима и нормативной (возможной) глубины сезонного протаивания почвогрунтов, величины возможной неравномерной термопросадки и деформации поверхности поля /3, 15/.

В настоящее время нет разработанных точных методов оценки и прогноза мерзлотно-мелиоративного состояния орошаемых и осушаемых земель. Они являются приближенными и носят количественно - качественный характер (методы экспертной оценки и аналогии, методы водного и теплового балансов, расчетные методы определения возможных величин сезонного протаивания и термопросадки и

др.).

В условиях криолитоэоны основным вопросом мелиоративного прогноза является оценка возможных нарушений-устойчивости по-

верхностн сельхозугодий при их освоении и использовании.

При наличии ПЕН суммарную величину термопросадок <■ Б ), характеризующую деформацию и разрушение осваиваемых и орошаемых таежных земель и наруцение их мерзлотно-экологической устойчивости, можно оценить по выражению в общем виде:

4&врвИ1- , н (I)

где - тепловая осадка поверхности почвы за счет таяния

верхних частей ГШ; - тепловая осадка поверхности внутри

полигонов при протаивании слоя льдистых грунтов 'Лк,г), вмещающих ПО; тепловая осадка (микроямы) за счет раскорчевки леса; оы - тепловая осадка за счет отепляющего влияния орошения; Д$ - выравнивающее влияние обработки почвы на величину

Сея

термопросадки.

При наличии ПЖЛ величину термопросадки ( 5оо) можно рассчитать как результат развития трех процессов:

^ , .4 (2)

где - величина просадки за счет смыкания подземных пустот

при обрушении кровли (почвы) над пустотами; - величина просадки за с«ет уплотнения рыхлых грунтовых жил, залегающих над ПЯЛ; $т - величина просадки счет частичного вытаивания ГШ.

По расчетам на орошаемых полях глубина термопросадок может достигать 0,8-1,15 м, что близко совпадает с наблюдаемыми величинами.

В отличие от методов геокриологического прогноза (например, от прогноза термокарста в естественных условиях) предложенная расчетная схема (I) - (2) для прогноза мелиоративного состояния земель учитывает отепляющее и охлаждающее влияние раскорчевки леса (уничтожение затеняющей роли леса, теплоизолирующих напочвенных рокровов), орошения, вспашки на развитие термопросадок и разрушение пашни. Выражения (I) - (2) являются также приближенными.

Полученные соискателем фактические мерзлотные, тёплобалан-совые, гидротерлические и другие данные в дальнейшем могут €йть необходимыми параметрами для более объективного прогноза изменения мерзлотно-мелиоратквной и экологической обстановки в раз-• личных регионах Якутии.

Таким образом, выявлены особенности формирования водно-теплового режима орешаемых и осукаемых почв, мерзлота©-мелиоративного состояния сельхозугодий и нарушения их поверхности при наличии П£С и ПЕЛ.

3. РЕЖИМЫ ГИДРОМЕЛИОРАЦИИ С УЧЕТОМ СЛОЖНОСТИ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ И КЛИМАТА В ЯКУТИИ

3.1. Режимы лиманного орошения лугов на мерзлотных почвах

Основными элементами режима лиманного орошения лугов являются: норма орошения, сроки и продолжительность затопления и „ необходимая глубина увлажнения (протаивания почвы к моменту освобождения лугов из-под затопления). Все эти элементы орошения лугов взаимосвязаны: изменение одного приводит к изменению всех остальных. При этом глубина протаивания почвы служит количественным критерием оптимизации режима лиманного орошения лугов на мерзлотных почвах. При глубине протаивания почвы в конце сброса воды | < % получается ранний срок опорожнения лимана и пониженная норма орошения, при Е, > t, - поздний срок и повышенная норма, а при I, - ^р- рациональный режим орошения ( - оптимальная глубина увлажнения почвы ко времени ос-

вобождения лугов из-под затопления). Рациональный срок опорожнения определяется сроком протаивания почвы на глубину из-за водонепроницаемотти мерзлых почвогрунтов. Таким образом, в области распространения многолетней мерзлоты основной принцип установления рационального режима лиманного орошения лугов сводится к следующему: рациональней норме орошения *п, соответствует строго определенная глубина протаивания почвы ^ в определенный момент времени (срок опорожнения лимана Т^ )

Результаты исследований показали, что при средних метеорологических условиях луга на маломощных лугово-черноземных почвах дают урожайность 10-15 ц/га при ежегодном орошении со следующим режимом: сроки затопления -.16-21 мая, опорожнения -26-31 мая, необходимая глубина протаивания (увлажнения) почвы -- 50-60 см, и норна орошения - 700-900 м3/га. Луга на мощных черноземно-луговых и дерново-луговых почвах отличаются высокой урожайностью. Они дают урожайность 25-30 ц/га при продолжительности затопления 10-15 суток (с 20-25 мая до 1-5 июня), увлажнении 45-50 см оттаявшего слоя почвы с нормой 1200-1400 м3/га. Однако, в отдельные годы в зависимости от мерзлотных, погодных и почвенных условий режим лиманного орошения лугов может колебаться в значительных пределах: норма орошения от 400 до 1500

м3/га, необходимая глубина протаивания - от 20 до 60 см, а сроки орошения до 8 суток. При правильных режимах орошения, за счет улучшения водно-теплового режима лугов, урожайность возрастает в 2-4 раза (20-30 ц/га).

3.2. Режим орошения дождеванием сельскохозяйственных культур

Офорлулированы и обоснованы следующие основные положения и условия оптимизации режимов орошения дождеванием сельскохозяйственных культур в условиях криолитозоны Якутии.

Традиционные варианты режима орошения (3х и 4х разовые поливы при 70% НВ, 80% НВ и по фазам -развития растений) с нормами 300-400 м3/га являются лишь относительно рациональными, недостаточно эффективными в борьбе с острой засухой, а главное с криогенными процессами.

период вегетации рациональной оросительной норме соответствует оптимальное соотношение тепла и влаги, при котором 70-80% теплоэнергетических ресурсов расходуется на водопотреб-ление и формирование максимального урожая культур. Такое оптимальное соотношение тепла и влаги развивается только при относительно узком диапазоне влажности почвы от 70 до 90% ее НВ в зависимости от вида и фазы вегетавди сельскохозяйственных культур. Это позволило уточнить нижние оптимальные пределы (пред-поливной) влажности суглинистой почвы по видам культуры: для овса 70% НВ, для корлосмеси 75% НВ, для подсолнечника и репса 80% НВ, а для луговых трав эти показатели колеблятся в пределах 70-90% НВ.

Необходимая глубина промачивания (увлажнения) почвы (Н^) при поливах варьирует от 0,2 до 0,5 м в зависимости от глубины распространения корней растений H¡,0pH в различные периоды вегетации. При Н = НКОрН выполняется условие рациональных режимов полива. При НПр< НКОрН может быть недостаточное увлажнение корнеобитаемого слоя вследствие пониженных норл полива. При Нпр> Нкорн происходит постепенно переувлажнение нижних горизонтов СТС вследствие повышенных норм полива, что неизбежно вызывает обратный охлаждающий эффект орошения - поднятие многолетней мерзлоты, значительное снижение температуры корнеобитаемого слоя почвы.

Получены новые данные и определены величины среднего су-

точного водопотребления 1-5 мм/сут, суммарного водопотребления от 1350 до 2700 м3/га и оросительной норм от 700 до 1890м3/га для кормовых культур и луговых трав при различных режимах орошения, метеорологических условий вегетационного периода и мерзлотных факторов (П.П.Гаврильев, 1986, 1991).

В зависимости от степени напряженности погодных и мерзлотных условий разработаны и обоснованы следующие три варианта режима орошения:

а) Для I категории сложности почвенно-мерзлотных условий территории и умеренно засушливых сезонов: поливы при .снижении влажности до 60$ НВ в основные фазы развития растений.

б) Для П категории сложности почвенно-мерзлотных условий территории и сильной засухи: чередование пониженных поливных нор« (150-200 м3/га) с обычными (умеренными) нормами 300-400 м3/га. При сложных геокриологических условиях (наличие рыхлых грунтовых жил, псевдоморфоз по жильным льдам с сохранившимися подземными пустотами, морозобойных трещин и т.д.) суммарную поливную норму (порядка 300-400 м3/га) необходимо давать "порциями", например за два подхода дождевальной установки по 150-200 м3/га, чтобы избежать или уменьшить интенсивность развития негативных криогенных и почвенных процессов и бесполезной потери поливной воды.

в) Для Ш категории сложности почвенно-мерзлотных условий, очень сильной засухи и суховеев: частые (ежедневные или через день-два) поливы малыми нормами, равными суточному водопотреб-лению культур (3-5 мм). В начале вегетационного периода предшествует 1-2 обычных полива. Этот режим орошения позволяет постоянно поддерживать уровент увлажнения почвы, близкий к оптимальному (75-80% НВ), а главное, исключить или существенно снизить развитие негативных криогенных и почвенных процессов, получить урожай культурна 20-30% больше, чем при других применяемых режимах орошения с экономией оросительной воды на 10-20%. Эти рациональные режимы орошения на фоне зональной агротехники могут способствовать получению чистой прибыли 200-250 руб/га. -При стоимости оросительной воды I ы3= 3-5 коп., экономия воды

в 130-300 м3/га дает значительный экономический эффект в масштабе Республики Саха (Якутия).

3.3. Режимы осушения мерзлотных заболоченных земель

Из-за уязвимости мерзлотных почв и лугов требуется большая точность определения нормы и интенсивности осушения, методов и способов осушения. По результатам исследований автора и литературным источникам (А.А.Богушевский, А.А.Коноровский) установлено, что в отличие от других областей страны при сплошном распространении многолетней мерзлоты норма осушения определяется не глубиной залегания грунтовых вод в почвогрунтовом профиле, а установлением мощности слоя активного тепло- и влагообмена и удалением его избыточных влагозапасов, снижением влажности кор-необитаемого слоя почвы заболоченных земель до оптимальных величин (по условиям нормального развития растений). Нижний предел оптимальной влажности для луговых трав составляет около 60% наименьшей влагоемкости, а верхний предел оптимальной влажности почвы равен 100% Hfl.

В условиях криолитозоны основными элементами режима осушения заболоченных и избыточно-увлажненных земель являются:

- норма осушения, определенная слоем осушения верхних горизонтов СТС и количеством избыточной воды сверх оптимальной влажности, которое требуется удалить (отводить) для обеспечения нормальных условий роста и развития растений;

- интенсивность осушения, представляющая скорость достижения необходимой нормы осушения.

В условиях криолитозоны величина максимальной нормы осушения автором определена и обоснована, равной 2/3 глубины сезонного протаивания, с учетом верхнего слоя активного тепло-влагообмена осушаемой почвы с атмосферой для нормального роста и развития растений. Норла осушения изменяется в течение вегетационного периода в соответствии с динамикой (темпом) и глубиной протаивания почв. В середине июля величину необходимого оптимального слоя осушения в первом приближении можно принимать равной мощности корнеобитаемого слоя луговых трав: в зоне тундры - 30-35 см, в подзонах лесотуцдры и северной тайги - 35-45 см, а в подзоне средней тайги - 45-50 см. Другой элемент нормы осушения - избыток воды, которое необходимо отводить колеблется в значительных пределах: от 73 до 187 мм для минеральных почв и от 145 до 244 мм для торфяных почв в районах Заполярной Якутии.

Процесс осушения в условиях Заполярья имеет затяжной ха-

рактер от 3 до 10 лет в зависимости от типа почв, водного питания и метеорологических условий. Вследствие отсутствия водорегулирующих сооружений после спуска озер и осушения избыточно увлажненных земель имеет место как вторичное затопление осушенных озер и заболачивание земель, так и их переосушение в зависимости от типов водного питания, гидро- и метеорологических условий.

Экспериментально установлено, что создание инженерных мелиоративных систем с водорегулирующими сооружениями, рационализация режима осушения, регулирование водно-теплового- режима мерзлотных почв позволяет не допускать деградацию лугов и добиваться урожайности .25-30 ц-га сена и 200-300 ц/га сочных кормов (овсяно-гороховой смеси) и более с осушаемых земель.

3.4. Определение режимов гидромелиорации

На основе обобщений результатов исследований и опыта работ мелиоративных систем разработаны и усовершенствованы методы биофизической и водного баланса для определения рациональных режимов лиманного орошения и осушения лугов, орошения дождеванием сельскохозяйственных культур, учитывающие особенности почвенно-мерзлотных и погодных условий региона. По этим способам режимы орошения и осушения, их эффективное^ в значительной мере определяются динамикой (темпом) и глубиной протанвания почв, термопросадок и деформации поверхности полей и лугов. Водопотребление сельскохозяйственных культур и трав, норма орошения и осушения устанавливаются через коэффициенты водообеспе-ченности растений, дефицита или избытка водного баланса почв, теплоэнергетические ресурсы сезона или любого расчетного периода, что позволяет рассчитать основные элементы режима орошения и осушения при любой обеспеченности осадков и температуры воздуха с учетом мерзлотных и почвенных условий, вида культур. По предлагаемой авторш методике определены региональные режимы основных видов гидромелиорации в Якутии, что подробно отражено в опубликованных монографиях и рекомендациях.

Таким образом, впервые автором дано геокриологическое и водно-теплобалансовое обоснование разработки рациональных режимов гидромелиорации в Якутии.

4. ПРИРОДОСБЕРЕГАЮЩИЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПРИ МЕЛИОРАЦИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЗЕМЕЛЬ В ЯКУТИИ

4.1. Природосберегающие мерзлотно-мелиоративные мероприятия

Автором рекомендована оригинальная зональная система мелиоративных мероприятий, включающая методы и режимы орошения, виды техники полива, и оросительной сети, выбор новых земель и т.д. /3, 7, II/. Обязательными элементами природосберегающих мероприятий являются: I) геокриологические (мерзлотные) исследования и изыскания, прогноз мерзлотно-мелиоративного состояния земель; научно-обоснованный отбор новых земель для сельскохозяйственных мелиораций и использования; 2) прогрессивная техника полива, которая имеет малую интенсивность дождя (0,3-0,4 мм/мин) и удельное давление на почву не более 20-30 кПа ("Волжанка", "Сигма", ДЦ-30 и др.), учитывающая уязвимость мерзлотных почв /10, 15/; 3) закрытая оросительная сеть вместо открытых каналов для наименьшего нарушения и сохранения подземных льдов /10, 15/; 4) рациональные режимы орошения и осушения с учетом многолетней мерзлоты и климата (см.раздел 3); 5) противокрио-генные (противотермокарстовые, противотериоэрозионные и др.) мероприятия.

4.2. Принципы мерзлотно-мелиоративрой съемки и районирования

Мерзлотно-мелиоративная съемка. Для разработки основ мерз-лотно-мелиоративной съемки автором были использованы некоторые теоретические и методологические положения инженерно-геокриологических изысканий (В.А.Кудрявцев, И.А.Некрасов, Е.С.Мельник-ков, Е.Б.Белопухова, Л.В.Крицук, Н.К.Москаленко, В.Л.Невечеря и др.). Однако, мерзлотно-мелиоративная съемка, будучи сугубо отраслевой, существенно отличается от общепринятых геокриологических, мерзлотно-геологических и других съемок.

Теоретическими и экспериментальными предпосылками для разработки основных положений и принципов мерзлотно-мелиоративной съемки, районирования и прогноза являются результаты обобщения опыта многолетних изысканий и мерзлотно-гидротермических и мелиоративных исследований, проведенных автором и другими иссле-

дователями в различных регионах криоли^озоны - частные и общие закономерности формирования мерзлотно-мелиоративного состояния орошаемых и осушаемых земель (А.А.Богушевский, П.П.Гаврильев, А.А.Мандаров, А.Н.Степанов, А.А.Коноровский, Н.В.Ухов и др:).

При мерзлотно-мелиоративных изысканиях на массивах орошения и осушения в зависимости от стадии проектирования и категории сложности применяются масштабы: для ТЭО М 1:25 ООО - 1:50 ООО для стадии проекта и рабочего проекта М 1:5 ООО - 1:10 ООО. Мерзлотно-мелиоративные съемки масштаба 1:5 ООО- 1:10 С00 позволяют раскрывать криогенные явления и процессы, почвенные структуры, связанные с микро- и мезорельефом. При этих масштабах съемки можно отображать на карте минимальную площадь мерзлотных контуров от 0,06 до 0,25 га.

На важных крупных объектах мелиорации, имеющих Ш категории сложности природных условий, площадь ключевого участка составляет от 0,04 до 0,1 га, масштаб съемки - 1:100 - 1:500 для детального изучения основного компонента почвенно-мерзлотных комплексов и явлений (например, термопросадки и разрушение почв и т.д.).

Качество мерзлотно-мелиоративной съемки в значительной мере зависит от комплексности состава и объема изучения мерзлотных характеристик деятельного слоя, криогенных явлений и процессов, а также от количества и глубины основных разрезов (шурфов и скважин) и их заложения. Каждый тип лавдпафта, каждый крупный почвенный контур обосновываются разрезом для изучения мерзлотных характеристик: состав, криотекстура и льдистость грунтов, площадь распространения, глубина залегания и мощность подземных льдов; параметры ГОКС (рыхлых грунтовых жил, подземных пустот, морозобойных трещин и т.д.); значения фактического и возможного (прогнозного) сезонного протаивания; величины термопросадок и неравномерной тепловой осадки поверхности полей и лугов под влиянием мелиорации. Основные шурфы закладываются на преобладающих элементах ландшафта,рельефа, типа местности и ввда сельхозугодья. Их целесообразно совмещать с почвенными, геологическими и гидрогеологическими выработками.

При мерзлотно-мелиоративной съемке глубина основных выработок определяется с учетом величин фактического и прогнозного протаивания иочвогрунтов в зависимости от вида и нагрузки мелиоративного воздействия. Кроме почвенных разрезов, дополнительно назначаются разрезы для выявления линейных форм, глубины залегания и мощности наиболее важных криогенных явлений.

Однако, на ключевых участках, экспериментальных мелиоративных системах, научно-производственных стационарах опорные скважины были пройдены до глубины 10-15 м, т.е. слоя нулевых годовых амплитуд температуры мерзлых грунтов.

При совмещенных почвенных и мерзлотно-мелиоративных съемках количество. почвенно-мерзлотных выработок, закладываемых на I км^ исследуемой территории, увеличивается в среднем лишь в 1,3 раза по сравнению с почвенными выработками, принятыми в нормативах по'почвенным изысканиям ВСЯ 33.2.1.02-85. Кроме того, уменьшение количества выработок, а следовательно, экономичность инженерно-мелиоративных съемок, включая мерзлотно-мелио-ративную, достигается за счет: применения методов ключевых участков на крупных массивах; использования аэрофотоснимков; совмещения мерзлотных выработок с почвенными, геологическими и гидрогеологическими.

Мерзлотно-мелиоративное районирование.. При крупномасштабном мерзлотно-мелиоративном районировании земель (М 1:5 ООО --1:10 ООО) основные таксономические единицы - район и участок. Каждый мерзлотно-мелиоративный район определяется исходя из принципов: I) по общности геокриологических и гидрогеологических условий; 2) по общности режимов и свойств мерзлотных почв; 3) по качеству и "пригодности использования в сельском хозяйстве; 4) по однотипности мерзлотно-мелиоративных мероприятий.

Ведущими количественными критериями выделения ыерзлотно--мелиоративного района приняты: состав и льдистость почвогрун-тов, мерзлотные показатели СТС, параметры ПЖЛ, криогенных образований.

Содержание мерзлотно-мелиоративного района состоит в определении конкретных потребностей в мелиорации, вида и объема водной и. противокриогенных мероприятий.. Мелиоративное назначение участков состоит в том же, в чем и назначение районов, а также заключается в определении способа, техники и режимов орошения, вида оросительной сети, агротехнических мероприятий, пригодности под те или иные культуры и т.д.

На основании выполненных соискателем крупномасштабных (M I: 5 000 -1:10 000) специальных мерзлотных изысканий на объектах мелиорации и достижений геокриологии определены и рекомендованы основные принципы, научно-методические положения и требования, предъявляемые к мерзлотно-мелиоративным изысканиям и исследованиям. Впервые в состав инженерно-мелиоративных изыс-

каний включены мерзлотно-мелиоративная съемка, районирование и прогноз /3, 14/.

4.3. Выбор мерзлотных земель в целях их мелиорации

Количественные мерзлотные показатели. На основе результатов многолетних .исследований впервые характеристики мерзлотно--гидротериического режима деятельного слоя и криогенных явлений, составляющие водно-теплового баланса и их структуру обоснованно можно принять-и использовать как основные количественные мерзлотные критерии мелиоративного состояния и устойчивости*сельскохозяйственных земель, оптимизации мелиоративных мероприятий. Так, установлено и обосновано:

- состав, льдистость и просадочность грунтов, глубина залегания и мощность подземных льдов, термопросадки, мощность и температура СТО характеризуют, в первом приближении, пригодность земель для мелиоративного освоения и использования. Их можно принять в качестве количественных критериев устойчивости и выбора земель;

- оптимальная структура теплового баланса, при которой около 70% теплоэнергетических ресурсов расходуется на суммарное испарение (водопотребление растений), а также диапазон оптимального увлажнения орошаемых и осушаемых почв от 70 до 90% HB необходимы для получения наиболее высоких урожаев;

- критическая влажность (льдистость) мелиорируемых почв, равная 90-Ю0Й HB, представляет границу положительного и отрицательного влияния орошения или осушения на мерзлотно-мелиора-тивное состояние земель и их устойчивости;

- режимы орошения, осушения, противокриогенных мероприятий и их эффективность однозначно связаны с динамикой и глубиной протаивания почв, терыопросадок и разрушения поверхности полей.

Градация устойчивости и выбор сельскохозяйственных земель. Величина возможной термопросадки - результирующий (универсальный) количественный критерий оценки мерзлотно-мелиоративного состояния и степени нарушения устойчивости земель при мелиорации.

При разработке рассматриваемого вопроса использованы некоторые принципы определения градации и терминологии устойчивости поверхности различных типов ландшафта, принятые в геокриологической литературе (H.A.Граве, С.Ю.Пармузин. Л.Н.Крицук,

Е.С.Мельников, Н.Г.Москаленко, А.Н.Федоров и др.).

С учетом представленных выше положений и закономерностей, а также требований современного земледелия и луговодства по величине возможных термопросадок, деформации и разрушения поверхности разработана пять градаций устойчивости мерзлотных земель к мелиоративным воздействиям: I устойчивые (развитие термопросадок не ожидается); слабо неустойчивые ( 0,3 м), П^ средне неустойчивые ( = 0,3-0,5 м); Пд - сильно неустойчивые ( $0(, = = 0,5-0,7 м), Ш совершенно неустойчивые ( = 0,7-1,0 м и более).

Долинные и таежные земли, входящие в I и Г^ градации, являются мелиоративным фондом (сотни тысяч гектаров). В перспективе площади пахотных земель Якутии могут быть увеличены в 3-5 раз при их научно обоснованном освоении и использовании. На современном этапе не пригодны для сельхозосвоения и мелиорации земли Пд и Ш градации - сильно и совершенно неустойчивые. Земли, включенные в П£ и Шд градации, могут быть вовлечены для освоения в исключительных случаях только при применении комплекса проти-вокриогенных мероприятий.

4.4. Противокриогенные мероприятия

Противокриогенные мероприяти - совокупность мелиоративных, технических и организационно-хозяйственных мероприятий, направленных на: а) предупреждение и ликвидацию негативных криогенных процессов и явлений (противотермокарстовых, противотермоэрозион-ных, противоморозобойного трещиннообразования и др.; б) восстановление заброшенных разрушенных полей, ранее подвергнутых термопросадкам, термозрозиям и деградации в различной степени; в) регулирование температурного и влажностного режимов почвогрунтов, мощности защитного сезонно-талого слоя, уменьшение отрицательного влияния многолетней мерзлоты на нормальный рост и развитие растений.

В основе разработки комплекса мерзлотно-мелиоративных мероприятий целесообразно использовать два известных фундаментальных принципа строительства на многолетнемерзлых грунтах (Основы геокриологии..., 1959: СНиП 18-76): наименьшее нарушение и сохранение многолетнемерзлого состояния почвогрунтов и подземных льдов от протаивания с целью избежания негативных криогенных и почвенных процессов на орошаемых и осушаемых землях; создание слоя почвогрунтов на глубину мелиоративного воздействия на осу-

иаемых и орошаемых землях без залежеобразующего льда путем применения комплекса противокриогенных мероприятий (Н.В.Ухов, А.Н. •Степанов, И.М.Корякин, П.П.Гаврильев).

При разработке противокриогенных мероприятий научной основой служат установленные выше автором геокриологические особенности мелиорации сельскохозяйственных земель в Якутии и результаты широкомасштабных научно-производственных экспериментов по ликвидации термопросадочных процессов и восстановлению полей Амгинского и Кердюгенского стационаров, а также методы консервации, планировки рекультивации нарушенных ландшафтов в различных регионах -криолитозоны.(Д.Ж.Браун, Н.А.Граве, С.З.Скрябин,

H.Г.Москаленко, А.Д.Виталь, М.Н.Замощ, И.М.Папернов, Г.В.Денисов и др.). Принципы и методы противокриогенных мероприятий подробно отражены в работах автора /3, 14, 15/.

Впервые по нашим широкомасштабным научным экспериментам и рекомендациям природосберегающие противокриогенные мероприятия использованы при разработке проекта и строительстве системы на участке "Рожа" Кердюгенской оросительной системы. Положительный результат комплекса противокриогенных мероприятий (неполная засыпка просадок грунтом - до 18-20 см от поверхности поля, доза-сыпка их запасом гумусового слоя почвы, выравнивание поверхности, рациональные режимы орошения) обусловливается следующими условиями и факторами:

I) заполнение просадок песком и слоем почв, их уплотнение до 900-100 кг/м3 объемной массы значительно уменьшает или устраняет чрезмер^ю инфильтрацию поливной воды, которая накапливается на поверхности ПЕЛ на невыровненных полях; 2) в результате подсыпки просадок, например, в 1988 г. вытаявшие на глубину от

I,3 до 2,0 ы верхние части ПНЛ были заменены талым почвогрунтом и образовался нормальный СТС без залежеобразующего льда на глубину мелиоративного воздействия. За счет засыпки просадок (ям, канавок, проседания, воронкообразных провалов) привозным грунтом увеличилась на 0,2-0,7 м, т.е. на 10-35% мощность сезонно--талого занятного слоя, перекрывающего ПЙЛ; 3) увеличение мощности защитного СТС с низкими коэффициентами теплопроводности над жилами льда - гумуса Л = 0,3-0,6 и компоста и торфа

Л «= 0,25-0,5 Вт/(м К) лучше предохраняет подземные льды от их вытаивания при поливах; 4)при ежегодных поливах (за 3 сезона) на местах засыпки влажность (льдистость) сезоннопротаи-

вающего слоя повысилась на 15-20$, что значительно увеличивает затраты тепла на фазовый переход воды (до 70-80% теплового потока в почву.

В итоге, за счет суммарного эффекта противокриогенных мероприятий, на местах засыпки термопросадок песком и сверху почвенным слоем и компостом уменьшается глубина сезонногоп протаи-вания в среднем на 10-25 см, или на столько же поднимается верхний уровень многолетней мерзлоты над жилами льда, что устраняет опасность дальнейшего вытаивания ИМ и развития термокарстовых процессов. \

На местах засыпки и выравнивания вторичное развитие термопросадок на пашне Рожа не зафиксировано. Впервые восстановлена заброшенная пашня, ранее подвергнутая термопросадкам и разрушениям в средней и сильной степени. Совхоз Хатасский с этой восстановленной пашни (70 га) получил хороший урожай картофеля 118, 127 и 160 ц/га в неблагоприятные 1989, 1990 и 1991 гг.

При освоении и восстановлении разрушенных термокарстом полей Кердюгенской оросительной системы (250 га) ожидаемые экологический эффект составит около 1,25 млн.руб., а при восстановлении условной площади заброшенных полей в I тыс.га - около 5-7 млн.руб., т.е. хозяевам возмещается ранее нанесенный ущерб.

В отличие от бытующей губительной практики вырубки леса под пашни рекомендуем восстановление и улучшение десятков сотен заброшенных пашен, подвергнутых термопросадкам и деформациям из-за частичного вытаивания повторно-жильных льдов, что способствует устранить очаги экологического нарушения. Однако, это • не исключает необходимости освоения новых пахотных земель путем расчистки мелколесья, закустаренных лесов и кустарников (при отсутствии ПЖЛ).

Таким образом, в результате исследований и практики соискателем сформулированы основные положения концепции развития комплексной мелиорации и рационального Использования сальсхохо-^ зяйственных земель для условий криолитозоны.

ЗАКЛШЕНИЕ

На основании выполненных исследований сфорыулирхзваны и обоснованы научные положения, совокупность которых прадстазлгзт _ теоретическое обобщение и решение крупной научной проблены "Геокриологические основы мелиорации и р>ационального испольаовашм земель в Якутии", имеющей важное народнохозяйственное аначэшгэ для сельского хозяйства. При этом получены следущие основная

/

выводы, которые выносятся автором на защиту (основные положения подчеркнуты):

1. Доказана необходимость новой стратегии сельскохозяйственных мелиорадий и создания их геокриологических основ в Якутии.

а именно - оптимизацию и экологизацию на основе теоретических и экспериментальных разработок комплекса природосберегающих мероприятий с учетом уязвимости мерзлотных земель.

Геокриологические основы мелиорации и рационального использования земель включают знание закономерностей мерзлотио-гидро-термического режима почв, криогенных процессов и образований, мелиоративного состояния орошаемых и опушаемых мерзлотных почв, их устойчивости к различным воздействиям, а также принципы и режимы рациональной мелиорации в области криолитозоны, в частности Якутии.

2. Впервые выявлены основные закономерности ■ гидротехнического режима почв, развития первоначальных тедаокарстовых образований. деформаций и разрушений мерзлотных почв, нарушения их устойчивости, формирования техногенных ландшафтов в зависимости от вида и нагрузки мелиоративного воздействия. Эти закономерности предопределяют Формирование в целом мерзлотно-экологического и мелиоративного состояния земель и их устойчивости.

По результатам экспериментов и расчетов:

- оценены два основных противоположно направленных тепло-физических процесса при мелиорации:.отепляющий и охлаждающий эффекты, под влиянием которых происходит формирование мерзлотно-гидротермического режима почвогрунтов и мелиоративного состояния земель, их устойчивости;

- установлены механизмы и особенности развития термопросадок и разрушения поверхности орошаемых и опушаемых земель при наличии П1С и ПЕЛ в зависимости от вида и нагрузки воздействия;

- выявлена возможность оценки и приближенного прогноза изменения мерзлотно-мелиоративного состояния земель при наличии полигонально-жильных структур и подземных лвдов с учете»! отепляющего и охлаждающего влияния раскорчевки леса, вспашки, поливов и т.д.

3. Впервые сфощулированы и обоснованы геокриологические особенности оптимизации режимов гидромелиорации в условиях криолитозоны Якутии^ позволяющие исключить или существенно снизить, . иди избежать развитие негативных криогенных процессов и получить высокие урожаи. Для решения этой цели на основании многовариан-

тных исследований и опыта мелиораций:

- разработан принцип оптимизации лиманного орошения лугов: рациональной норме орошения соответствует строго определенная глубина протаивания (увлажнения) почвы в определенный момент (срок) опорожнения лимана/*/;

- установлена максимальная норма осушения заболоченных земель равной 2/3 СТС, с которого необходимо отводить избыточный запас влаги до оптимальных значений 90-100% НВ. Величина оптимальной нормы осушения изменяется в течение вегетационного периода в соответствии с динамикой (темпом) протаивания почв;

- разработаны и рекомендованы три варианта рационального режима орошения дождеванием сельскохозяйственных культур для

I, П и Ш категорий сложности почвенно-мерзлотных условий и напряженности засухи;

- разработаны и усовершенствованы биофизический и водно-балансовый способы определения рациональных режимов гидромелиорации в Якутии при любых сочетаниях мерзлотных, почвенных, метеорологических условий с учетом вида и водопотребления растений.

4. Впервые экспериментально исследованы,, научно обоснованы и внедрены в практику комплексные природосберегающие мероприятия, реализующие концепцию восстановления и значительного улучшения мерзлотно-мелиоративного состояния сельскохозяйственных земель в целях их рационального использования и охраны в условиях криолитозоны Якутии:

- специальные мерзлотные изыскания (съемка, районирование, прогноз) и их научно-методические и нормативные положения, способствующие существенно улучшить качество проектно-изыскатель-ских работ в условиях криолитозоны;

- количественные мерзлотные показатели и градации устойчивости сельскохозяйственных земель для их оценки и выбора;

- региональные рациональные режимы лиманного орошения лугов, осушения заболоченных земель и вегетационных поливов сельскохозяйственных культур, учитывающие сложности многолетней мерзлоты и климата и обеспечивающие получить высокие урожаи;

- противокриогенные мероприятия, направленные.. на предупреждение и ликвидацию развивающихся и существующих негативннх мерзлотных процессов и явлений на сельскохозяйственных землых» а также на восстановление и улучшение заброшенных полей в Яку-

тии. Противокриогенные мероприятия - принципиально новый вид мелиорации, улучшающий мерзлотно-экологическую обстановку, позволяющий рационально использовать и охранять сельскохозяйственные земли в криолитозоне.

Таким образом, обоснованы и предложены комплексные водо-знерго- и землесберегающие мерзлотно-мелиоративные мероприятия для выращивания высоких урожаев в условиях криолитозоны Якутии.

Основные .научные положения,разработки и выводы, полученные диссертантом, могут быть использованы и в других регионах криолитозоны, а также могут способствовать развитию нового научного направления - агромелиоративного мерзлотоведения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии:

1. Лиманное орошение лугов в Центральной Якутии. - Новосибирск: Наука, 1976. - 165 с. Соавтор А.А.Мандаров.

2. Гидротермические мелиорации сельскохозяйственных угодий в Якутии. - Новосибирск: Наука, 1984. - 200 с. Соавторы A.A. Мандаров, И.С.Угаров.

3. Мелиорация мерзлотных земель в Якутии. - Новосибирск: Наука, 1991. - 182 с.

Разделы и подразделы в монографиях:

4. Режим лиманного орошения лугов (соавтор А.А.Мандаров) //Проектирование плотин для оросительных мелиорации в Центральной Якутии. - Якутск: кн.изд-во, 1976. - с.91-113.

5. Орошение дождеванием кормовых культур в Центральной Якутии (соавторы А.А.Мандаров, И.С.Угаров)// Теплофиз.-исследования криолитозоны в Сибири. - Новосибирск: Наука, 1983. -с. i6i-ra.

Рекомендации и пособие (книги и брошюры)

6. Рекомендации по определен™ режима лиманного орошения лугов и пастбищ в Центральной Якутии. - Якутск: кн.изд-во, 1976. - 27 с.

.7. Рекомендации по определению режима орошения сельскохозяйственных культур, сенокосов и пастбищ в Якутской АССР (Соавтор Д.Д.Саввинов). - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1980. - 37 с.

8. Методические указания по эффективному использованию земель долины реки Амги (Коллектив соавторов) - Якутск: 1983. -33 с.

9. Лиманное оронение кормовых культур в Сибири (рекомендации) - М.: Россельхозиздат, 1985. - 19 с. (Коллектив авторов) .

1С. Рекомендации по орошению кормовых культур на мерзлотных почвах Якутии. - Якутск: СибНИИГиМ, 1986. - 26 с.

11. Временные рекомендации по мелиорации в Заполярной Якутии. Якутск: ИЮ СО АН СССР, 1987. - 38 с.

12. Система введение сельского хозяйства в Якутской АССР (Рекомендации). - Новосибирск: СО ВАСХНИИЛ, 1987. - 230 с. (Коллектив авторов).

13. Интенсификация кормопроизводства в зоне реки Амги (рекомендации) (коллектив авторов). - Якутск: Кн. изд-во, 1988. -40 с.

14. Почвенно-мелиоративные изыскания для проектирования объектов мелиоративного строительства на многолетнемерзлых грунтах. Пособие в ВСН 33-2.1.02.85 - Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1988. - 128 с.

15. Мелиорация и рациональное использование земель в Якутии при наличии подземных льдов Энаучно-методические.рекомендации). Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1991. - 68 с.

Статьи

16. Процессы тепло- и влагообмена лугов в Центральной Якутии при лиманном орошении. //П Международная конференция по мерзлотоведению. - Якутск: 1973, вып.7 - С.259-161. Соавторы А.А.Мандаров, И.С.Угаров, Ж.И.Рысаков.

17. Тепловой баланс поверхности естественных и орошаемое лугов Центральной Якутии. // Вопросы географии Якутии. -Якутск: Кн. изд-во, 1969, вып.5. с.31-40.

18. Изменение водно-теплового режима мерзлотных почв Центральной Якутии при сельскохозяйственной мелиорации. //Техногенные ландшафты Севера и их рекультивация. - Новосибирск: Науаа, 1979. с.130-147.

19. Основные принципы мерзлотно-мелиоративного районирования при освоении и мелиорации -земель в условиях многолетней мерзлоты. //Мерзлотные почвы Якутии и их использование. -Якутск: Я3> СО АН СССР, 1984. - С. 20-34.

20. Термопросадки и деформации поверхности поля при кэги-орации долины р.Амги // Криогидрогеологичесхие исследования. -Якутск: ИЮ СО АН СССР, 1985. - С. 148-161.

21. Особенности технологии орошения с учетом напряженности засухи и мнрголетней мерзлоты в Якутии / Предотвращение негативных последствий при орошении почв Сибири. - Абакан: СибНИИГиМ 1988. - С. 21-23.

22. Некоторые результаты исследований особенностей сезонного оттаивания почв, подстилаемых льдонасыщенными грунтами, при орошении. // Про'блемы гидротермики мерзлотных почв. - Новосибирск: Наука, 1988. - С.41-48. Соавторы П.П.Пестерев и Л.К. Ярыгина.

23. Геокриологические основы мелиорации земель в области вечной мерзлоты. // Рациональное природопользование в криолито-зоне. - Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1990. - С.