Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Комплексные мелиорации в дельте реки Кубань

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Содержание диссертации, доктора технических наук, Гумбаров, Анатолий Дмитриевич

Актуальность проблемы. Существующая система хозяйствования в дельте р. Кубань не отвечает требованиям рационального природопользования, сохранения биологического разнообразия и охраны окружающей природной среды и сопровождается ухудшением экологической обстановки и мелиоративного состояния почв. Загрязнение и истощение поверхностных и подземных вод, нарушение водного баланса дельты, загрязнение, засоление и деградация почвенного покрова, уменьшение биологического разнообразия и как следствие снижение устойчивости дельтовой экосистемы не позволяют эффективно использовать биоклиматические, земельные, водные и трудовые ресурсы.

Хозяйственная деятельность в пределах рассматриваемой территории (регулирование стока и безвозвратное изъятие водных ресурсов р. Кубань, обвалование русл, сельскохозяйственное освоение земель) привела к нарушению исторически сложившихся балансов вещества и энергии, и, как следствие, к ухудшению почвенно-мегаоративных, гидрогеологических, геохимических, биохимических и экологических условий. Нарушенными оказались процессы поступление вещества и энергии как внутри дельты, так и между сопряженными территориями, и способность экосистемы восстанавливать свои свойства. В результате этих нарушений начались процессы необратимого изменения экосистемы, т.е. ее эволюция.

Разработка и обоснование стратегии развития сельскохозяйственного производства, обеспечивающего рациональное использование земельных, водных, биологических и др. ресурсов, а также снижение негативного воздействия на природную среду является основной проблемой для дельты р. Кубань. Решение этих проблем возможно при условии широкого внедрения адаптивно-ландшафтных систем земледелия, применения комплексных мелиора-ций и оптимизации мелиоративных режимов почв.

В основу всей хозяйственной деятельности в пределах дельты должны быть положены не просто эксплуатация природных ресурсов и даже не сохранение дельтовой геосистемы в ее первозданном виде, а дальнейшее развитие и увеличение экологического и социально-экономического потенциалов в соответствии с требованием устойчивого развития.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Комплексные мелиорации в дельте реки Кубань"

Цели и задачи работы.

Основной целью исследований является разработка методов и технических средств управления состоянием природной среды, обеспечивающих сохранение плодородия почв, биологического разнообразия и повышение экологической устойчивости и социально-экономического потенциала дельты р. Кубань, й чалачи исследований входило: та-тяйственного

КНИГА ИМЕЕТ ды; (елия и произ-!эколоюнного

Методология исследований. Объекты исследований - природно-хозяйственные системы дельты р. Кубань. Методология решения сформулированных целей основана на использовании геосистемного подхода, который предусматривает изучение природных процессов геосистемы, протекающих на фоне конкретной антропогенной деятельности. При таком подхот де детальному исследованию подлежат так называемые деятельностно-природные (еоцио-природные) системы, состоящие из двух подсистем - природной и деятельностной (социальной).

Природная подсистема, т.е. дельтовая геосистема р. Кубань, представляет собой совокупность зональных и азональных частей (ландшафтов), которые, в свою очередь, состоят из взаимосвязанных и взаимообусловленных компонентов (атмосфера, биота, почва, поверхностные и подземные воды).

Деятельностная подсистема в рассматриваемом случае - это совокупность методов, технологий и технических средств сельскохозяйственного производства, включая водохозяйственную и мелиоративную деятельность.

Обе подсистемы, так же как и отдельные ландшафты, связаны между собой потоками вещества и энергии, которые в общем виде могут быть описаны с помощью балансовых уравнений, отражающих основные свойства геосистем - открытость, целостность, функционирование. Однако сами балансовые уравнения при изменении хотя бы одного из элементов баланса не позволяют оценить возможные последствия для природной среды, поскольку все элементы взаимосвязаны и взаимообусловлены. Поэтому в основу исследований и решения сформулированных проблем положено изучение в комплексе всех компонентов природной среды и их изменений в процессе хозяйственной деятельности.

Методология исследований предусматривает: выбор и обоснование интегральных характеристик для каждого компонента природной среды, наиболее полно отражающих его свойства и значение в функционировании геосистемы; изучение связей между средообра-зукяцими факторами и интегральными характеристиками компонентов, между компонентами в пределах каждой части дельты, между частями дельты и между дельтой и сопредельными территориями (Азовское море, южная, северная и восточная границы дельты); обоснование наиболее эффективных мелиоративных режимов в пределах каждой части; оценка эко-лого-экономической эффективности различных вариантов хозяйственной деятельности и выбор наиболее эффективного из них.

Научная новизна работы заключается: -в разработке системы критериев и моделей, описывающих состояние отдельных компонентов и природной среды системы в целом;

-в составлении долгосрочных прогнозов изменения природной среды для разных сценариев развития хозяйственной деятельности; '

-в обосновании экологических критериев, ограничивающих хозяйственную деятельность в пределах дельты;

-в обосновании состава комплексных мелиораций, включающих организацию территории и структуру сельскохозяйственных угодий, технику и технологию мелиораций, обеспечивающих в комплексе экологическую устойчивость геосистемы и экономическую стабильность сельскохозяйственного производства.

Основные защищаемые положения.

1) Система критериев и моделей, описывающих состояние отдельных компонентов и природной среды геосистемы в целом.

2) Методика составления долгосрочных прогнозов изменения природной среды и оценки возможных экологических последствий в процессе хозяйственной деятельности.

3) Методика обоснования состава и объема комплексных мелиораций.

4) Стратегия дальнейшего развития сельскохозяйственного производства в дельте, обеспечивающая экологическую устойчивость и рациональное использование природных и трудовых ресурсов.

Практическое значение работы заключается в разработке путей дальнейшего развития сельского хозяйства дельты р. Кубань, обеспечивающих улучшение эколого-мелиоративной обстановки, рациональное использование природных и трудовых ресурсов и стабилизацию сельскохозяйственного производства.

Апробация и публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ общим- объемом 57 пл., в том числе монография, учебник, рекомендации, учебные пособия. Основные положения докладывались на ежегодных научно-технических конференциях КСХИ и КГАУ (1974-2001гг.), МГУП (2000 г.). ■

Объем работы. Диссертация представлена в виде монографии объемом 10 п.л., включая 38 илл. и 77 табл.

Автор выражает искреннюю благодарность ученым Московского государственного университета природообустройства, в особенности академику РАСХН, доктору технических наук, профессору Айдарову И.П. и заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору Голованову А.И. за внимательное отношение к нашим исследованиям и ценную методическую помощь, а также сотрудникам Кубаньгипроводхоза, Ку-баньНИИГИПРОЗЕМа, Краевого управления «Кубаньмелиоводаоз» и Кубанского бассейнового водохозяйственного объединения за оказанную помощь при сборе и анализе материалов диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ПРИРОДНЫЕ И ХОЗЯЙСТВЕННЫЕ УСЛОВИЯ ДЕЛЬТЫ РЕКИ КУБАНЬ

В работе выполнен анализ и сформулированы специфические особенности дельтовых геосистем, основными из которых являются:

1. Дельты крупных рек представляют собой специфические геосистемы, характерной особенностью которых является большое разнообразие гидротермического режима, связанное в основном с гидрологическими условиями. Основными факторами, определяющими наряду с климатом разнообразие гидротермических режимов, а значит структуру и функционирование дельтовых геосистем, являются речной сток и водообмен с морем. Структура дельтовых геосистем включает зональные и азональные элементы.

2. Дельтовые геосистемы, особенно в южных районах, характеризуются высоким биоклиматическим потенциалом и являются важными объектами для развития сельского и рыбного хозяйства.

3. Дельтовые геосистемы представляют собой переходные зоны от суши к морю. Как всякие пограничные системы они очень отзывчивы на любые изменения степени открытости: объема речного стока в вершине дельты, гидрологического и гидрохимического режимов моря, сельскохозяйственного освоения территории и др.

Дельта р. Кубань значительно отличается от деды других крупных рек по общей площади, соотношению площадей приморских лиманов и плавней, и, самое главное, по наличию мощного потока подземных напорных вод, вызванного близостью Главного Кавказского хребта. Учитывая, что формирование и функционирование дельты как всякой открытой геосистемы обусловлено взаимодействием с окружающей природной средой, в работе рассмотрены особенности природных условий бассейнов Азовского моря и р. Кубань, определающие наряду с климатическими условиями особенности и свойства дельтовой геосистемы р. Кубань.

Бассейн Азовского моря. Площадь бассейна Азовского моря, расположенного в зонах неустойчивого и недостаточного увлажнения, около 570 тыс. км2. Пахотные земли занимают более 30 млн. га, или 53 % площади бассейна. Площадь акватории моря 37 тыс. км2, объем 320 км3, средняя глубина около 9 м (Д.Я. Раткович -1993). Основные водные источники бассейна - реки Дон (площадь водосбора 422 тыс. км2, среднегодовой сток 27,9 км5) и Кубань (площадь водосбора 57,9 тыс. км2, среднемноголетний годовой сток 12,5 км3). Сток малых рек Северо-восточного Приазовья составляет -2,1 км3. Статистический анализ многолетних данных по стоку показывает, что питание Азовского моря очень неравномерно: коэффициент вариации стока р. Дон составляет 0,3, р. Кубань - 0,15 при положительном коэффициенте асимметрии годового стока. Это свидетельствует о том, что экосистема Азовского моря функционирует в условиях ограниченности водных ресурсов, а следовательно, очень отзывчива на любые изменения объема жидкого, твердого и ионного стока.

Водный и солевой балансы Азовского моря формируются под влиянием речного стока и водо- и ионообмена с Чёрным морем. Снижение объема речного стока, вызываемого хозяйственной деятельностью в бассейнах рек Дон и Кубань, уменьшает объем оттока из Азовского моря, увеличивает приток соленых вод из Черного моря и соответственно ухудшает гидрохимический режим и биопродуктивность Азовского моря.

Баланс биогенных элементов Азовского моря показывает, что ведущее значение в поступлении биогенов в море принадлежит материковому речному стоку (55,3 %), приток из Черного моря не превышает 9,2 %.

Азовское море в естественных условиях характеризовалось высокой биологической продуктивностью, которая составляла до 7.8 т/км рыбы в год. До 1950 г. рыбопродуктивность Азовского моря превышала 200 тыс. т в год. Однако за последние годы добьиа ценных видов рыб сократилась почти в 10 раз. Основные причины этого - регулирование речного стока, ухудшение условий нереста и нагула рыбы.

Бассейн у. Кубань. Бассейн р. Кубань занимает северо-западную часть Большого Кавказского хребта от Таманского полуострова на западе до Эльбруса на востоке. Площадь бассейна составляет 57900 км2, в том числе в границах Краснодарского края и республики Адыгея 43700 км2.

Источниками питания являются в основном атмосферные осадки, таяние ледников и частично грунтовые воды. Грунтовое питание почти одинаково по всему бассейну и составляет 10.15 %. Питание реки за счет таяния ледников и снежников по мере продвижения с юго-востока на северо-запад постепенно уменьшается при соответственном увеличении дождевого и снегового. Нижние притоки не имеют ледникового питания, 90 % их годового стока формируется за счет осадков.

Большое разнообразие топографических, гидрологических, климатических и других условий определяет неравномерность стока и непостоянство годового режима реки. Колебание годового стока реки очень велико: наибольший сток у г. Краснодара достигал 17,7 км3 (1915 г.), наименьший 6,9 км3 (1969 г.).

Сток реки в среднемноговодный год составляет 13,4 км3, в среднемаловодный - 12,0 км3 и характеризуется значительной сезонной и многолетней неравномерностью и большой амплитудой изменения расходов: в нижнем течении они колеблются от 60 до 2040 м3/с.

На изменение объема стока оказывают влияние антропогенные факторы - строительство водохозяйственных объектов. Верхняя часть р. Кубань имеет в составе комплекс сооружений Большого Ставропольского Канала и Невинномысский канал с тремя водохранилищами. Среднее течение реки не располагает сколько-нибудь крупными водозаборами, что и определило здесь низкие темпы развития водного хозяйства. В нижней части р. Кубань построен ряд регулирующих сооружений: Краснодарское водохранилище и Федоровский гидроузел на р. Кубань, Щенджийское, Октябрьское, Шапсугское, Крюковское и Варнавинское водохранилища на левобережных горных реках.

Территорию бассейна подразделяют на несколько гидрологических районов, главные из которых Азово-Кубанский и Терско-Кумский артезианские бассейны. Они характеризуются своеобразными условиями залегания водовмещающих пород, питания подземных вод, их транзита и разгрузки, имеют неустойчивый режим, разнообразный химический состав и минерализацию.

Зеркало грунтовых вод отражает рельеф местности, располагается на глубине от 0,5.1,0 до 25. 50 м и более и имеет общее падение на запад, к Азовскому морю, на северо-восток и восток к долине Манычей и Прикаспийской низменности. Напорный водоносный горизонт развит в основном в пределах равнинной части бассейна и широко используется в хозяйственных целях.

Распределение годового стока Кубани по рукавам (собственно р. Кубань и р. Протока) в естественных условиях составляло в среднем: р. Кубань - 7255 млн. м3, и р. Протока -5297 млн. м3, что определяет не только площади, но и размещение приморских лиманов. К р. Протока приурочено 42 % площади лиманов, к р. Кубань - 58 %. Всего в дельте р. Кубань к 1930 г. насчитывалось 295 лиманов общей площадью 1114 км2 (26,6 % площади дельты) (М.С. Чебанов-1989).

После ввода Краснодарского водохранилища твердый сток реки резко сократился. Объём наносов в нижнем бьефе Краснодарского водохранилища с 1972 по 1976 гг. уменьшился с 7,9 до 0,41 млн. т в год, что сопровождалось размывом русл и абразией дельты на 4.8мвгод.

Анализ динамики химического стока показывает, что минерализация речной воды за рассматриваемый период (1936 - 1999 г.) постоянна.

Дельта р. Кубань. Анализ особенностей геологического строения, растительного покрова, почвенно-мелиоративных условий позволил определить границы дельтовой геосистемы р. Кубань. Восточная граница (вершина геосистемы) расположена у г. Краснодара (нижний бьеф Краснодарского водохранилища). В этой точке в дельтовую геосистему поступает речной сток. Южная граница дельтовой геосистемы проходит южнее р. Адагум, Шапсугского, Крюковского и Варнавинского водохранилищ (выход на поверхность верхне- и среднечет-вертичных и плиоценовых отложений) и приурочена к равнинной части, к зоне выклинивания подземных вод и южной границе Закубанских плавней. Северная и северо-восточная границы геосистемы проходят по северной окраине Приморско-Ахтарских лиманов и восточнее Ангелинского ерика, в районе ст. Калининской, в месте выхода на поверхность нижне-, средне- и верхнечетвертичных отложений.

Площадь геосистемы в этих границах составляет -10560 км2. Рассматриваемая территория представляет собой дельтово-плавневый ландшафт с лугово-болотными плавневыми комплексами на торфяно- перегнойно-глеевых и лугово-черноземных почвах.

В пределах дельтовой геосистемы нами выделено три основных природно-территориальньгх (природно-техногенных) комплекса (ПТК).

ПТК-1. Приречные гряды и вершина дельты. Земли этого ПТК возвышаются над окружающей территорией на 2. 14 м, не затапливаются речными и морскими водами и представлены зональными черноземными, пугово-черноземными и луговыми почвами с характерной для данной климатической зоны растительностью. Площадь составляет 4940 км2 (46 8 %).

ПТК-2. Междуречные лиманы и плавни не связанные с морем и ежегодно затапливаемые речными водами. Комплекс представлен азональными аллювиальными болотными, лугово-болотными и луговыми почвами и растительностью. Площадь его составляет 4505км2 (42,7 %).

ПТК-З. Приморские лиманы, имеющие непосредственную связь с Азовским морем и представленные открытой водной поверхностью и водной растительностью. Площадь ПТК -1114 км2 (10,5 %).

Выделение основных ПТК обусловлено с одной стороны существенным различием гидротермического режима, почвенно-мелиоративных, биологических и гидрохимических условий, с другой - различным значением каждого из них в обеспечении нормального функционирования и динамики дельтовой геосистемы в целом.

Рассматриваемая территория расположена в пределах Азово-Кубанской впадины и приурочена к области глубокого погружения герцянского складчатого основания, наибольший прогиб которого совпадает с нижним течением р. Кубань. Формирование дельтовой равнины происходило, с одной стороны, в условиях новейших погружений района нижней части р. Кубань, с другой - аккумуляции наносов, транспортируемых рекой. Поэтому территория характерна тшшчнымй аллювиальными, аккумулятивными формами рельефа. Выделяют прирусловые гряды, береговые бары и межгрядовые плоские понижения. Наиболее высокие прирусловые гряды (до 5 м) приурочены к основным рукавам (реки Кубань и Протока). Для мелких водотоков высота гряд не превышает 2.3 м. Плоские понижения с отметками 0,5. 2 м расположены между островами и градами и заняты лиманами и плавнями.

Более детальная характеристика геоморфологических условий дана в работе Е.С. Блажнего (1971). Автор выделяет три основных района.

Первый. Плавневый, самый пониженный, представляющий собой наиболее молодую часть дельты (Приазовские, Чебургольские и Прикубанские плавни). Этот район занимает самую низкую часть дельты и характеризуется относительно слабовыраженным аллювиально-аккумулятивным рельефом с прирусловыми грядами и межгрядовыми понижениями. Слабый уклон поверхности способствует длительному затоплению межгрядовых понижений и образованию плавней. Значительную роль в этом играет сток малых рек, сбрасывающих воду в дельту и затапливающих понижения независимо от паводковых вод р. Кубань нли одновременно с ними. Затопление Закубанских плавней связано со стоком горных рек, подпираемых на севере приподнятым над поверхностью земля руслом р. Кубань. Второй. Переходный к старой дельте, расположенный в междуречье в районе р. Протока. Характеризуется ярко выраженными чертами аллювиально-ахкумулятивного рельефа с отметками прирусловых гряд 6. 8 м и плоских межгрядовых понижений, равными нулю. Третий. Старая дельта, приуроченная к самой восточной части, е отметками поверхности до 12. 14 м. Эта часть дельты практически не подвержена затоплению речными водами. Превышение гряд над поверхностью наиболее пониженных участков, представляющих почти плоские слабовогнутые бессточные пространства размером от 100.200 м до 2.3 км в поперечнике, составляет в основном 1,5. 2 м.

Основная черта климата рассматриваемой территории - обилие тепла, неустойчивость естественного увлажнения и резко выраженная вертикальная зональность в распределении основных климатических факторов, обусловленная Кавказским хребтом (табл. 1).

Таблица 1. Основные климатические факторы за год по различным метеостанциям

Фактор Метеостанция Средние значения

Темрюк Краснодар Сла-вянск Крымск

Высота, м 3 . 29 16 35 21

Средняя температура воздуха, "С 10,9 10,8 10,9 10,6 10,8

Осадки, мм 541. 711 623 728 651

Относительная влажность воздуха, % 79 74 77 76 . 77

Динамика климатических показателей с 1914 по 1999 г. по метеостанции г. Славянск-на-Кубани показывает, что для дельтовой геосистемы характерна стабильная и высокая теп-лообеспеченностъ. Среднее значение радиационного баланса Я составляет 197 кДж/см2 в год (С„= 0,04), среднее значение ФАР - 251 кДж/см2 в год (С„= 0,03).

Среднемноголетнее испарение с поверхности суши при глубине залегания грунтовых вод £3 м составляет 350.400 мм в год, испарение с открытой водной поверхности -1000 мм в год. Испарение и транспирация с зарослей водной растительности колеблется от 1200 до 2000 мм в год в зависимости от вида и биомассы растений.

Практический интерес представляет анализ гидротермического режима и основных составляющих водного баланса поверхностных и почвенных вод (испарение и влагообмен с грунтовыми водами) для каждого из выделенных ПТК геосистемы. Такой анализ можно выполнить, используя среднемноголетние характеристики климата и данные по затоплению территории.

Для количественной оденхи гидротермического режима и составляющих водного баланса использован радиационный «индекс сухости» Я (М.И. Будыко, 1977): для автоморфных условий

Я„ = Я//(0с+ЙГ); (1) для гидроморфных условий без затопления (обвалованные территории)

Яг + (2) где Ег - испарение с поверхности грунтовых вод при близком их залегании, см в год.

4=£„(1-Л/Дф)". (3)

Здесь £0- испаряемость, см; Л и А^- фактический и критический уровень залегания грунтовых вод, м; и- показатель степени, п « 1,5.

Д характеризует связь водного я энергетического балансов. = + (4) где Е = Еа /(Осдля автоморфного режима, или Е = Еа ¡{Ос + Ег )• •для гидроморфно-го режима без затопления; -гиперболические тангенс, синус и косинус; Е(1 - испарение в автоморфных условиях, мм.

Относительный влагообмен между почвенными и грунтовыми водами (с учетом поверхностного стока)

5 = 1 -Е. (5)

Таблица 2. Изменение условий почвообразования при нарушении природных условий в ПТК-1 и ПТК-2 дельты

Тип В природных условиях При обваловании и исключении затопления

ПТК Г,см £ Е ё см Ег

ПТК-1 - 1,2 0,75-0,8 0,2.0,25 - -

ПТК-2 65. 100 0,57.0,72 0,4-0,5 0,5.0,6 - 1,18.1,08 -(0,18.0,08)

Результаты расчетов показали, что обвалование и исключение затопления бессточных плавней и лиманов сопровождается коренным нарушением условий формирования почв ПТК-2. Если в природных условиях имеет место промывной режим (#> 0), то при исключении затоплений формируется выпотной режим (£< 0), что в условиях напорного питания неизбежно сопровождается засолением почв.

Вместе с тем изменение режима и объема стока или обвалование русл практически не оказьшает влияния на формирование почв ПТК-1, что связано с достаточно глубоким залеганием грунтовых вод (Д>ДЧ>). Изменение условий, формирующих почвы этого комплекса, будет происходить при их сельскохозяйственном освоении и изменении в связи с этим гидротермического режима.

Прилегающую к дельтовой геосистеме территорию в гидрологическом отношении подразделяют на два района:

-горный, примыкающий с юга к Закубанским плавням, где преобладают реки с дождевым типом питания и паводками практически в течение всего года. Модуль стока этих рек 0,5. 10,0 л/(с км2), суммарный объем стока от 0,34 до 1,42 км3 в год. Минерализация речных вод не превышает О Д. .0,42 г/л;

-равнинный (примыкающий к северной части геосистемы), сток рек которого формируется как за счет поверхностных, так и за счет подземных (напорных) вод. Общий модуль стока не превышает 0,5 л/(с км2). Минерализация речных вод колеблется от 0,5. 1,0 г/л в период весенних паводков до 2. .5 г/л в остальное время года, что объясняется преобладанием в этот период подземного питания.

Основные рукава дельты (реки Кубань и Протока) на всем протяжении возвышаются над окружающей территорией на 4. .5 м, что в природных условиях приводило к ежегодным разливам и затоплениям всех бессточных понижений (лиманы и плавни).

Для Зажубанских плавней затопление в природных условиях было обусловлено стоком мелких рек и разливами р. Кубань и происходило с февраля по июнь. Продолжительность затопления колебалась от нескольких суток до полутора месяцев, слой затопления от 0,1 до 2,0 м (в среднем 0,6. .1,0 м).

На остальной территории дельты объем потерь стока, включая затопление бессточных понижений и испарение с поверхности приморских лиманов, составлял в естественных условиях (1930 г.) 25 % объема стока р. Кубань в створе г. Краснодара. Из этого количества воды около 1000 млн. м3 приходилось на испарение с водной поверхности приморских лиманов, а около 2100 млн. м3 - на затопление бессточных понижений. Эти разливы и затопления, по существу, и определяли особенности гидротермического режима дельты и способствовали формированию азонального ПТК-2.

В геоботаническом отношении рассматриваемая территория приурочена к восточноевропейской провинции евроазиатской области степей.

Для приморских лиманов типична обычная водная флора пресноводных или засоленных озер. Растительность и ее развитие зависят от минерализации и прозрачности воды, глубины лимана. Наиболее развита растительность в пресноводных лиманах. Мощное развитие подводной и плавающей растительности, дающей обильный материал для отложения органического ила, а также занос морскими и речными отложениями постепенно приводят к исчезновению лиманов и зарастанию их болотной растительностью.

По ерикам, в протоках, в сильно залитых тростниковых болотах, в проливах между лиманами и в рукавах рек наблюдается обильное развитие подводных, надводных и плавающих водяных и болотных растений, располагающихся зонами в зависимости от глубины. ;

Растительность пойменно-дельтовых районов р. Кубань является азональной. К забо-. лоченным пространствам дельты и поймы р, Кубань (плавням) приурочена растительность плавневого типа с господством тростника

Постоянно затопленные плавни представляют собой почти сплошные заросли тростника, камыша или рогоза. Отмирающие растения накапливают большое количество органической массы, которая находится в условиях почти полного анаэробиоза. Продукты разложения зависят от минерализации воды и реакции среды, но преимущественно накапливается органический ил.

По мере заиления затопленные болота постепенно переходят во временно заливаемые. В них господствует тростник, в чаще которого попадаются болотные растения. Здесь отмершие остатки разлагаются по типу оторфования. Процесс разложения - аэробно-анаэробный. Однако в этих условиях не образуется типичный торф, он переходит в иловатую массу с запахом сероводорода.

Временно и неглубоко заливаемые дельтовые болота характеризуется также господством тростника, но низкорослого со значительной примесью лугово-болотного разнотравья. Процесс разложения отмерших растений здесь идет по типу гумификации (частично аэробный, частично анаэробный). Большая часть органических остатков минерализуется, другая остается в виде гумуса.

Повышенные и менее увлажненные места занимает луговая растительность. В дельте она приурочена в основном к ее переходному району, среди плавней встречается по грядам.

Значительное влияние растительный покров оказывает на накопление органического вещества и на водно-солевой режим шчв. На стадии развития разнотравно-луговых и луговых сообществ поднятие водно-растворимых солей в поверхностные горизонты почвы затрудняется, что предохраняет их от засоления. При уничтожении естественной растительности водно-солевой режим ухудшается, происходит засоление почв, на смену луговому разнотравью появляются солянки. Для сильно засоленной почвы характерна сильно развитая солончаковая растительность, которая никогда не даег сомкнутого покрова.

Понижение уровня воды ведет к развитию яугово-болотной растительности. С появлением клеверов, люцерны желтой, различных луговых злаков лугово-болотная растительность сменяется лугово-степной со степным разнотравьем. Растительность представлена в основном зональными видами, что связано со свойственным данной зоне гидротермическим режимом.

Существенные различия возраста отдельных частей дельты, особенностей гидрологических и гидрогеологических условий, разнообразие рельефа, гидрогермического режима, природных биоценозов и их продуктивности определили значительную пестроту почвенного покрова и наличие как зональных, так и азональных типов почв. Поэтому почвы целесообразно рассматривать по выделенным ПТК, в границах которых отмечаются более или менее однообразные условия почвообразования. Для ПТК-1 характерны черноземы, луговато- и лугово-черноземные и луговые почвы. В границах ПТК-2 - аллювиальные луговые, лугово-болотные и болотные почвы. Для обоих ПТК специфично появление после многолетнего выращивания риса рисовых лугово-черноземных, луговых, аллювиальных луговых и лугово-болотных почв.

2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛЬТОВОЙ ГЕОСИСТЕМЫ РЕКИ КУБАНЬ Критерии опенка современного состояния геосистемы. Учитывая особенности рассматриваемой геосистемы, набор критериев должен характеризовать ее основные свойства в целом и каждый ПТК в отдельности.

Критерии, характеризующие открытость геосистемы, включают обмен энергией и веществом с окружающей природной средой, в том числе: ,

-поступление солнечной энергии и воды в виде радиационного баланса и атмосферных осадков;

-речной (жидкий, твердый и химический) сток в вершине дельты и на южной границе, поступление воды и солей с напорными подземными водами;

-водо- и солеобмен с морем.

Первая группа критериев отражает тепло- и влагообеспеченность территории и может быть выражена через «индекс сухости», существенное достоинство которого - возможнос ть учитывать не только дополнительное увлажнение IV, но и трансформацию радиационного баланса в результате изменения структуры использования территории: значение радиационного баланса зависит от альбедо поверхности (А), которое существенно меняется в зависимости от типа подстилающей поверхности: я, =4,(1-4)/(1-4), (6) где Л0 и Л, - радиационный баланс естественной: и измененной в результате хозяйственной деятельности поверхности, кДж/см2 в год; А^ и А, - альбедо естественной и измененной поверхности, доли единицы.

Значение «индекса сухости», характеризующего гидротермический режим, в целом для дельтовой геосистемы р. Кубань колеблется (табл. 2) от 1,2 (зональные условия) до 0,57.0,72 (азональные условия).

Вторая группа критериев отражает поступление в геосистему и отток из нее воды, твердых и химических веществ и может быть выражена через объем речного стока в створе г. Краснодара, оттока в море, притока подземных напорных вод и соответственно твердого и химического стока. Для характеристики естественных условий в работе приняты данные по стоку Кубани до 1942 г., т.е. до ввода в действие Тщнкского водохранилища (см. табл. 6).

Третья группа критериев, характеризующая водо- и ионообмен приморских лиманов с морем и их гидрохимический режим, включает приток морской воды и солей и отток речной воды и солей из лиманов.

За величину, характеризующую экологическое состояние геосистемы в целом, в работе принят общий запас биомассы (Х£). Этот показатель в достаточной степени характеризует экологическую устойчивость геосистемы как в природных условиях, так и при антропогенном воздействии, так как хозяйственная деятельность влияет на общие запасы биомассы, резко уменьшая их.

Относительные запасы биомассы в измененных условиях

Б = Щ/2Б0, (7) где - общие запасы биомассы в измененной геосистеме, т/га; £50 - общие запасы биомассы в природной геосистеме, т/га.

Для природных условий Б= 1, Уменьшение значения Б будет означать исчезновение некоторых видов, а значит, уменьшение разнообразия, общих запасов биомассы и соответственно снижение экологической устойчивости ПТК и геосистемы в целом.

Для полного анализа состояния природной среды и тенденций его изменения выделены критерии, характеризующие состояние отдельных компонентов геосистемы - биоты и почвы.

Для биоты такими критериями по отдельным ПТК приняты ежегодный прирост биомассы (продуктивность ), опад (О,) и отношение продуктивности к опаду (ЛГ/О,).

Для почвы основными критериями являются запасы гумуса и содержание воднорас-творимых солей.

Основные свойства геосистемы, в том числе и экологическая устойчивость, определяются главным образом степенью открытости и азональными элементами (ПТК-2 - плавни, лиманы). Они, в свою очередь, обусловлены спецификой гидрологического режима р. Кубань (объем стока, разливы, затопление).

Таким образом, анализ современного состояния природной среды и оценку направленности природных процессов при хозяйственном использовании территории необходимо проводить, обращая основное внимание на изменение степени открытости (речного стока) и изменение структуры геосистемы (обвалование и сельскохозяйственное освоение земель).

В работе выполнен ретроспективный анализ развития сельскохозяйственного производства и водохозяйственного строительства Такой анализ необходим дня установления основных противоречий между хозяйственной деятельностью и природной средой, степени изменения основных свойств геосистемы, а также для разработки мероприятий по согласованию хозяйственной деятельности с ресурсными и экологическими возможностями природной среды дельты.

Освоение дельты р. Кубань было начато в середине XIX в. (1859 г.) и имело первоначально своей целью организацию водного сообщения между Кубанью и Ростовом-на-Дону. В освоении природных ресурсов дельтовой геосистемы р. Кубань можно выделить несколько этапов, границы которых определяются изменениями характера хозяйственной деятельности. Так период до 1860 года характеризует природное состояние геосистемы, т.е. период, когда антропогенная деятельность практически отсутствовала.

Период 1860-1930 гг. Территория геосистемы осваивалась по двум направлениям: первое - гидрографические работы в устье р. Кубань с целью улучшения судоходства. В этот период было выполнено спрямление и углубление русла р. Кубань, а также обвалование р. Протока. Это вызвало резкое уменьшение числа ериков, исключило затопление территорий и привело к обсыханию значительных площадей плавней и лиманов в межгрядовых понижениях; второе - развитие сельскохозяйственного производства. Первоначально оно осуществлялось за счет освоения наиболее плодородных черноземных почв в вершине древней дельты и на приречных гривах (ПТК-1). Далее сельское хозяйство развивалось за счет освоения плавней и лиманов, обсыхающих в результате обвалования рек Кубань и Протока. Основным земельным фондом явились площади современных Закубанских плавней, плавней Междуречья и правого берега р. Протока. Характерная особенность сельскохозяйственного производства - снижение урожайности с течением времени. В этот период на Кубани начали выращивать рис. В 1930 г. было впервые засеяно 57 га и получена урожайность 2,12 т/га.

Общая площадь сельскохозяйственных угодий к 1930 г. достигла 325 тыс. га, в том числе около 270 тыс. га (83 %) пашни. Уже в этот период на плавневых землях возникли серьезные проблемы, связанные с обвалованием русл, обсыханием плавней и примитивной технологией освоения земель. Резко возросла минерализация грунтовых вод и началось засоление плавневых почв, что явилось одной из причин снижения урожайности сельскохозяйственных культур. Другой причиной снижения плодородия плавневых почв послужила неудовлетворительная технология освоения плавневых земель, которая вхлючала сжигание тростника. При этом сгорала не только надземная часть тростника, но и залежь торфа на глубину до 40. .50 см, т.е. исчезала накопленная веками масса органического вещества.

Причины негативных процессов своевременно не были проанализированы, из-за необходимости увеличения продукции сельского хозяйства было продолжено освоения плавневых земель. ;

Период 1930-1960 гг. Этот период характеризовался началом широкого мелиоративного и водохозяйственного строительства в дельте р. Кубань в целях развития орошения и обводнения земель. .

В бассейне р. Кубань было введено в действие семь водохранилищ с общим объемом 1,36 км3 и площадью зеркала при НПУ 188,3 км2. Безвозвратные потери воды на испарение с водной поверхности водохранилищ, на хозяйственные нужды, орошение, обводнение, водоснабжение, промышленность и др. достигли к концу периода 1,6. .2,1 км3. Уменьшение объема твердого стока р. Кубань в результате водохозяйственного строительства было незначительно и не превышало 0,2 млн. т, что практически не сказалось на процессах дельтаобразо-вания: приращение площади дельты за этот период составило 0,6 км2 по р. Кубань и 2,05 км2 по. р. Протока. Объем гидрохимического стока за период изменился с 3,49 до 3,34 млн. т в год.

Русла обоих рукавов (рек Кубань и Протока) были обвалованы, в результате чего ежегодному затоплению на 15. .20 суток подвергалась только русловая пойма, ограниченная валами. В целях регулирования гидрохимического режима лиманов в условиях уменьшения речного стока в дельте построено 7 каналов, что позволило резко увеличить сброс возвратных вод в лиманы. В результате проведения мелиоративных мероприятий минерализация воды в приморских лиманах снизилась с 2,2 до 1,84 г/л. Изменение гидрохимического режима приморских лиманов сопровождалось зарастанием их растительностью, что препятствовало передвижению и развитию рыбы. В целом по приморским лиманам площади открытой водной поверхности снизились на 18. Л 20 %.

Общая площадь сельскохозяйственных угодий к 1960 г. достигла 668 тыс. га, из которых 187,8 тыс. га - освоенные плавни. Площадь орошаемых земель составила 44 тыс. га, в том числе 39 тыс. га - рисовые оросительные системы, 5 тыс. га - оросительные системы для овощных и кормовых севооборотов.

Рассматриваемый период характеризовался широким строительством рисовых оросительных систем на освоенных плавнях. Развитие водохозяйственного и мелиоративного строительства было направлено традиционно на увеличение объема располагаемых водных ресурсов и расширение площадей орошения земель с целью увеличения производства сельскохозяйственной продукции. Опыт предшествующих лет и возникшие тогда проблемы не были учтены. Развитие орошения земель во многом основывалось на представлениях и практике, свойственных аридной зоне, вопросы ограниченности природных ресурсов (водных и земельных) во внимание не принимались. В целом основные задачи увеличения располагаемых водных ресурсов и расширения площадей орошаемых земель были выполнены. Однако при этом резко увеличились затраты водных ресурсов на производство единицы продукции, существенно ухудшилась почвенно-меяиоративная и экологическая обстановка, возникла необходимость более глубокого регулирования стока р. Кубань. По существу, в этот период была заложена основа экстенсивной системы сельскохозяйственного производства и нерационального использования природных и материальных ресурсов.

Период 1960-1990 гг. Вводятся в эксплуатацию новые оросительные системы, в пределах геосистемы расширяются площади сельскохозяйственных угодий.

Дальнейшее развитие орошения сталкивается со значительными трудностями, среди которых основными являются дефицит водных ресурсов и интенсивное ухудшение почвен-но-мелиоративных условий орошаемых и прилегающих к ним земель.

Первую проблему решают в этот период за счет дальнейшего регулирования стока р. Кубань и малых горных рек. Вводятся в эксплуатацию семь водохранилищ на притоках р. Кубань и Большом Ставропольском канале с полным объемом 1,16 км3 и Краснодарское водохранилище, на р. Кубань с полным объемом 3,1 км3. Создание регулирующих водохранилище бассейне р. Кубань позволило довести подачу воды потребителям (включая и рыбохо-зяйственные попуски) до 11,5 км3 в год 75%-ой обеспеченности или 85 % нормы стока. Дальнейшее, даже многолетнее регулирование стока, по данным Д.Я. Ратковича (1993), может увеличить гарантированную отдачу менее чем на 1 км3 , что совершенно нецелесообразно. Таким образом, водные ресурсы р. Кубань оказались практически исчерпанными. Безвозвратное водопотребление достигло 7 км (около 56 % объема стока), Сократился приток речной воды в приморские лиманы, увеличилась минерализация воды в них, что ухудшило ры-бохозяйственные условия. Твердый сток сократился в 7,2 раза, что привело к абразии дельты со скоростью 4. .8 м в год.

Разливы рек Кубань и Протока прекратились, плавни и лиманы интенсивно высыхали и засолялись, что потребовало дальнейшего развития орошения. Однако при минимальных объемах рыбохозяйственного попуска резервы воды для дальнейшего развития орошения практически уже отсутствовали. Гидрохимический режим приморских лиманов продолжал ухудшаться, несмотря на увеличение притока в них слабоминерализованных возвратных вод.

К 1990 г. площади орошения в дельте составили 297,2 тыс. га, площадь рисовых севооборотов с 1960 по 1990 г увеличилась до 236,2 тыс. га. Большинство оросительных систем имели КПД 0,б.0,7, средневзвешенная оросительная норма риса составляла 17,6 тыс. м3/ га, объем коллекторно-сбросных вод - 9,9 тыс. м3/га (56 % оросительной нормы). Оросительные нормы не рисовых севооборотов колебались от 3,3 до 5 тыс. м3/га Большое значение в экономии воды на орошение придавалось повторному использованию сбросных вод с рисовых ОС (до 35 %).

Широкое развитие рисосеяния сопровождалось подтоплением земель и ухудшением их мелиоративного состояния. За период с 1972 по 1989 г. площадь переувлажненных сельскохозяйственных угодий увеличилась в пределах рассматриваемой территории с 399 тыс. до 468 тыс. га. Урожайность основных сельскохозяйственных культур, в том числе и риса, снизилась. В этот период площади сельскохозяйственных угодий достигли 710,5 тыс. га, в том числе 561,6 тыс. га пашни. Орошалось 297 тыс. га, из них 236,2 тыс. га - рисовые оросительные системы, 61 тыс. га - овощные и кормовые севообороты. Освоено 258,3 тыс. га (57,3%) плавневых земель, использованных в основном (187,8 тыс. га) под рисовые оросительные системы. Фактическая урожайность, как правило, меньше проектной на 15. 20 %.

Водохозяйственная и мелиоративная деятельность традиционно была направлена на дальнейшее увеличение располагаемых водных ресурсов и истощение земельных ресурсов. Поэтому негативные природные процессы резко усилились. Выполненные в этот период работы по реконструкции оросительных систем и совершенствованию конструкций рисовых систем и техники полива хотя и дали некоторый результат, но в целом не изменили общей направленности эволюции геосистемы.

Период 1991-1999 гг. Водные ресурсы р. Кубань и мелких горных рек оказались практически исчерпанными, что привело к прекращению дальнейшего развития водохозяйственного и мелиоративного строительства. Несмотря на это, процесс ухудшения почвенно-мелиоративных и экологических условий в дельте продолжается - наблюдается дальнейшее развитие переувлажнения и засоления почв.

Площади сельскохозяйственных угодий к 1999 г. по сравнению с 1980 г. уменьшилась с 746 тыс. до 682,4 тыс. га. Площади орошаемых земель к 1999 г. также уменьшились до 185,2 тыс. га, в том числе из 236 таю. га рисовых оросительных систем использовали только 160,2 тыс. га, а засевали рисом 112^2 тыс. га. Таким образом, к 1999 г. площадь сельскохозяйственных угодий составила 64,6 % площади геосистемы. Остальные 373,5 тыс. га представляют собой приморские лиманы (111,4 тыс. га), естественные угодья - плавни (158,8 тыс. га), лес (6 тыс. га), земли, занятые населенными пунктами (94 тыс. га) и заброшенные и неиспользуемые земли (9,4 тыс. га), состояние которых неудовлетворительно по причине засоления и подтопления.

Хотя в этот период большое внимание уделяют совершенствованию системы земледелия, конструкциям оросительных систем и технике полива, результаты выполнения мелиоративных работ не дали ощутимых результатов. Урожайность основных сельскохозяйственных культур продолжает уменьшаться, а мелиоративное состояние орошаемых земель -ухудшаться. Это, по мнению автора, связано с тем, что работы выполняют не комплексно и не предусматривают решения проблемы согласования хозяйственной деятельности и требований природной среды дельтовой геосистемы в целом.

Оценка современного состояния дельты р. Кубань выполнена с использованием сформулированных выше критериев как для отдельных ПТК, так и для геосистемы в целом. Такой анализ необходим для оценки степени нарушения основных свойств геосистемы в процессе ее освоения и допустимых пределов антропогенного воздействия.

ПТК-1. Анализ природных процессов показывает, что изменение речного стока влияет на состояние природной среды рассматриваемого ПТК только после ввода в действие Краснодарского водохранилища (1973 г.). Однако влияние это очень незначительно и связано с небольшим размывом и углублением русла реки (<10 см). Такое изменение русловых процессов практически не сказалось на фильтрации из реки и режиме грунтовых вод, а, следовательно, и на изменении гидротермического режима территории.

Основные изменения связаны с развитием сельскохозяйственного производства Оно сопровождалось заменой естественных биоценозов на агроценозы и изменением основных средообразующих факторов, определяющих свойства, плодородие почв и экологическую устойчивость комплекса.

Освоение и сельскохозяй'ствшное использование земель началось еще в XIX в. и к 1930 г. 275 тыс. га рассматриваемой территории (55,7 %) были освоены. Структура земельных угодий: пашни - 84 %, сенокосы - 2, пастбища, выгоны и неудобья - 14 %. Пахотные земли использовали для выращивания зерновых - 70 %, многолетних трав - 30 %. Урожайность сельскохозяйственных культур в этот период составила: зерновые - около 2 т/га, многолетние травы - 3,5. .4,0 т/га.

К 1960 г. были освоены все земли ГГГК-1, включая и Неудобья. Из 479,7 тыс. га сельскохозяйственных угодий 25 тыс. га орошали, в том числе 20 тыс. га - рисовые оросительные системы, 5 тыс. га - кормовые севообороты. Структура использования сельскохозяйственных угодий изменилась: пашня - 81,3 %, сенокосы и пастбища - 9 %. В составе пашни -60 % зерновых, 29 % - кормовых культур и многолетних трав, 11 % - технических культур. Урожайность зерновых 4,0.4,5 т/га, многолетних трав на сено - 5,0 т/га, технических культур (подсолнечник) - 2,1 т/га.

В период 1961-1990 гг. площади сельскохозяйственных угодий уменьшились до 452,2 тыс. га за счет изъятия земель под населенные пункты и увеличения лесных угодий. Изменилась структура использования пашни (365,7 тыс. га), в составе которой зерновые составляли 53,5 %, кормовые - 34,5, технические культуры - 10,8 и овощи - 0,8 %. Увеличились площади орошаемых земель до 101,1 тыс. га, в том числе 48,2 тыс. га рисовых оросительных систем. В целом этот период был самым значимым и эффективным с точки зрения развития мелиорации, и сельскохозяйственного производства на Кубани. Урожаи основных сельскохозяйственных культур составляли: зерновые - 4,5.5,0 т/га, многолетние травы на сено-6,5, технические культуры-3,0 т/га.

Последний период (1990-1999 гг.) характеризуется практическим прекращением мелиоративного и водохозяйственного строительства, снижением технического уровня мелиоративных систем и эффективности сельскохозяйственного производства. Площадь орошаемых земель кормовых и овощных севооборотов уменьшилась до 19,5 тыс. га, рисовые ОС не были засеяны рисом из-за дефицита воды. Урожайность основных сельскохозяйственных культур, начиная с 1990 г. систематически снижается и в 1999 г. не превышала по зерновым 3,4 т/га, по многолетним травам 3,9, по техническим культурам 2,0 т/га.

Индекс сухости Л, характеризующий степень открытости в части поступления солнечной энергии и увлажнения территории, изменился в результате замены природных биоценозов на агроценозы с 1,2 до 0,82 на орошаемых и до 1,34 на богарных землях (табл. 3).Однако изменение гидротермического режима находится в пределах флуктуации природных климатических условий (0,83. .2,26) и само по себе не является причиной существенных изменений природной среды.

Ежегодный прирост и возврат биомассы в первый период снизился в результате неудовлетворительной системы земледелия и низких урожаев. Во второй и третий периоды, в результате совершенствования системы земледелия и применения минеральных удобрений (до 100. 120 кг/га), ежегодный прирост биомассы возрос.

Коэффициенты вариации урожайности основных сельскохозяйственных культур увеличиваются в процессе освоения территории с 0,15.0,20 (1860-1930 гг.) до 0,25.0,30 (19901999 гг.). Если вариация урожайности в период 1860-1930 гг. связана в основном с флуктуацией климатических условий, то в период 1990-1999 гг. она определяется уже не только климатическими, но и экологическими факторами и достаточно хорошо согласуется с таким показателем, как отношение ежегодного прироста биомассы к опаду (N/0).

Полученные данные дают основание говорить о том, что основные изменения природной среды ПТК-1 связаны не с изменением гидротермического режима, водного и солевого балансов, а в основном с существующей системой земледелия вообще, которая обусловливает резкое уменьшение общих запасов биомассы в агроценозах. В природных биоценозах общие запасы биомассы в виде растительных остатков и степной подстилки, достигающие 40.50 т/га и более, определяют высокую устойчивость биоценозов (N/0= 0,3.0,5). В процессе замены природных биоценозов на агроценозы полностью ликвидируется степная подстилка и резко сокращается возврат в почву растительных остатков в результате отчуждения их с урожаем, а в большинстве случаев и с побочной продукцией (сено. солома, ботва), что приводит к увеличению отношения Ы/О до 1,56.

Таблица.З. Динамика средообразующих факторов и показателей состояния ПТК-1

Период Показатель

Я Б, г/га Б Ы,т/та О, т/га N/0 g,мм

Естественные угодья

Природное состояние 1,2 51,8 1 10,8 41 0.2 6 59

Сенокосы и пастбища

Все периоды 1,2 49,6 0,96 10,8 38,8 0,28 59

Пашня богарная

1860-1930 гг. 1,34 20,4 0,39 9,4 4,3 2.41 45

1931-1960 гг. 1,35 29,5 0,57 14,2 6,1 2.31 45

1961-1990 гг. 1,34 31,6 0,61 15,9 6,6 2.42 45

1991-1999 гг. 1,34 24,5 0,47 12,1 5,1 2.37 45

Пашня орошаемая

1860-1930 гг. 1,34 20,4 0,39 9,4 4,3 2.41. 45

1931-1960 гг. 0,82 42.8 0,83 17.3 8.9 1.94 201

1961-1990 гг. 0,82 42 0,81 18.1 8.7 2.07 201

1991-1999 гг. 0,82 37.4 0,72 15.8 7.8 2.08 201

Рисовые оросительные системы

1860-1930 гг. 1,34 20,4 0,39 9,4 4,3 2.41 45

1931-1960 гг. 0,56 26.4 0,51 11,3 5,5 2,05 827

1961-1990 гг. 0,55 33.9 0,65 15,4 7,1 2,18 850

ПТК-1 в целом

Природное состояние 1,2 51,8 1 10,8 41 0.26 59

1860-1930 гг. 1,27 36,9 0,71 10,8 23,6 0,46 52

1931-1960гг. 1,29 31,3 0,60 . 13,7 9,4 1,46 135

1961-1990 гг. 1Д7 35 0,68 15,8 10,1 1,56 : 162

1991-1999 гг. 1,3 27,6 0,53 12,3 : 8,6 1,42 53

Таким образом, существующая система земледелия резко Снижает устойчивость агро-ценозов в результате создания отрицательного баланса органического вещества в почве, а, следовательно, способствует еработке запасов почвенного гумуса и ухудшению основных свойств и плодородия почв.

Снижение опада, общих запасов биомассы и сработка почвенного гумуса наиболее интенсивно происходили в период 1860-1930 гг. Опад снижался с 41 до 4,3 т/га на богаре, а общие запасы биомассы - с 51,8 до 20,4 т/га на богаре и до 49,6 т/га на сенокосах и пастбищах. Именно в этот период была заложена основа экстенсивного использования биоклиматического потенциала, приведшая к существенному ухудшению состояния природной среды уже к 1930 г.

Показателями устойчивости агроценозов могут служить общие запасы биомассы, гумуса, отношение ежегодного прироста биомассы к опаду (N/0) и биоразнообразие. Эти показатели особенно сильно изменяются на пашне и незначительно на сенокосах и пастбищах. Биоразнообразие на пахотных землях изменилось со 150 до 10. 15 видов, а отношение N ¡О с 0,26 в биоценозах до 2,41 на пашне и до 0,46 по ПТК в целом.

Увеличение на аашне отношения N/O до 2,41 свидетельствует о том, что стабильность сельскохозяйственного производства определяется не только флуктуацией климатических условий, но и экологической неустойчивостью агроценозов.

Таблица 4. Среднегодовые вод ный и солевой балансы ПТК-I

Элемент баланса Природное состоя ние Период

18601930 гг. 19311960 гг. 19611990 гг. 19911999 гг.

Водный баланс, км1

Речной приток в вершине дельты 12,48 12,56 13,15 11,74 12,65

Речной отток на нижней границе ПТК 1 12,08 12,16 12,75 11,34 12,25

Атмосферные осадки 3,22 2,94 3,16 3,26 3,27

Испарение 2,64 2,41 2,78 3,62 2,87

Поверхностный отток 0,48 0,44 0,42 0,25 0,49

Оросительная вода 0 0 0,20 1,06 0,19

Подземный опок 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Коллекторно-дренажные воды 0 0 0,06 0,35 0

Изменение запасов влаги Ш 0 -0,01 0 0 0 Солевой баланс, млн. т

Речной приток солей в вершине дельты 3,62 3,64 3,81 3,40 3,67

Отток солей на нижней границе ПТК-1 3,50 3,53 3,70 3,29 3,55

Поступление солей с атмосферными осадками 0,06 0,06 0,06 0,07 0,07

Отток солей с подземными водами 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

Вынос солей с поверхностным стоком 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

Поступление солей с оросительной водой 0 0 0,06 0,31 0,06

Отток солей с коллекторно-дренажными водами 0 0 0,11 0,63 0

Изменение запасов солей АС -0.13 -0.14 -0.19 -0,45 -0.08

Изменение процентного содержания солей в метровом слое почвы за период, % -0,157 -0,091 -0,219 -0,011

Второй и третий периоды (1931-1960 и 1961-1990 гг.) характеризовались совершенствованием системы земледелия и широким развитием орошения земель, что существенно повлияло на состояние природной среды - ежегодный прирост биомассы увеличился с 9,4 до 15,9 т/га на богарных и до 18,1 т/га на орошаемых землях. Соответственно возросли опад и общие запасы биомассы, особенно на орошаемых землях (с 20,4 до 42 т/га). Однако,-несмотря на это, продолжается, хотя и с меньшей интенсивностью, процесс сработки запасов гумуса, а также увеличение отношения N/O, что свидетельствует о снижении плодородия почв и экологической устойчивости агроценозов.

Таким образом, комплекс мелиораций (орошение, химизация и др.) снизил интенсивность деградационных процессов, но не изменил общую направленность их развития.

Последний период (1990-2000 гг.) характеризуется увеличением интенсивности негативных почвенных процессов (снижение ежегодного прироста опада, общих запасов биомассы, увеличение сработай запасов гумуса).

Приведенные в таблице 4 данные показывают, что в водном балансе изменяются объем речного стока, подача оросительной воды, отвод коллекгорно-дренажных вод и испарение. Однако это практически не влияет на поверхностный и подземный сток в пределах ПТК-1, т.е. на гидрогеологические и почвенно-геохимические условия. Таким образом, сельскохозяйственное использование земель этого комплекса не оказывает влияния на сопредельные территории.

Несколько иначе складывается солевой баланс. В природных условиях наблюдается некоторое опреснение почв и грунтов, что связано с постепенным подъемом рассматриваемой территории "и промывным режимом. В последующие периоды также наблюдается незначительное опреснение, что подтверждается данными натурных наблюдений. В период 19611990 гг. отток солей стал больше в результате увеличенного коллекторно-дренажного стока.

Таким образом, изменения природной среды ПТК-1 обусловлены резким сокращением общих запасов биомассы и, как следствие, ухудшением состояния почв. Подъема УГВ и накопления солей в почвах не наблюдается.

ПТК-2. Анализ хозяйственной деятельности и направленности природных процессов показал, что обвалование русл рек в период 1860-1960 гг. явилось основной причиной резкого изменения состояния природной среды. Увеличение безвозвратного водопотребления в бассейне р. Кубань и изменение режима стока ниже Краснодарского водохранилища в период 1990-2000 гг. в этих условиях уже не могли оказать заметного влияния на изменение почвен-но-мелиоративных и экологических условий ПТК-2, которые практически полностью определялись хозяйственной деятельностью.

Изменение состояния природной среды плавней в отличие от ПТК-1 связано как с изменением гидротермического режима (исключение затоплепия), так и с хозяйственной деятельностью. В первые периоды (1860-1960 гг.) освоение отсохших плавневых земель начиналось со сжигания растительности, при котором практически сгорали все запасы биомассы (надземные части растений и накопившаяся масса органического вещества и торфа).

Кроме того, исключение затопления плавней привело к коренному нарушению исторически сложившегося водного и солевого режимов почв. В природных условиях, когда имели место ежегодные затопления, водный режим почв характеризовался достаточно интенсивным промывным режимом (672. .708 мм в год), асолевой режим - относительной стабильностью (содержание солей в яочве составляло 0,3.0,6 % в зависимости от высотного положения плавней). После обвалования промывной режим почв сменился выпотным режимом, т.е. восходящими токами интенсивностью 520.750 мм в год, связанными с наличием напорных подземных вод, что сопровождалось аккумуляцией солей в верхних горизонтах почв, т.е. образованием солончаков.

Изменение основных показателей, характеризующих состояние природной среды ПТК-2, показано в таблице 5. Наиболее существенные изменения наблюдались в первый период освоения. Изменения эти более существенны на неиспользуемых и неорошаемых землях. На рисовых системах общие запасы биомассы изменились с 93,1 до 28,8 т/га, на неиспользуемых землях ■• с 93,1 до 8,6 т/га.

В последующем, вплоть до 1990 г., в связи с совершенствованием системы земледелия и широким развитием орошения общие запасы биомассы, ежегодный прирост и опад несколько увеличиваются, но это не меняет общей ситуации. Последний период (после 1990 г.) характеризуется резким ухудшением состояния природной среды. Показатель N/0 изменялся от 0,3 до 2,26.3,17 на отдельных видах угодий, что свидетельствует о существенном снижении устойчивости агроценозов.

Изменение состояния природной среды плавневых земель в целом показывает, что в первый период (.1860-1930 гг.), когда осваивалась лишь незначительная часть площади плавней (-11 %), изменения критериев были невелики. Так, общие запасы биомассы изменились с 93,1 до 83,9 т/га (на 10 %), ежегодный прирост и опад - с 21,6 и 71,5 до 19,8 и 63,8 т/га соответственно. Отношение N¡0 в этот период не превышало 0,31. В последующие годы, в связи с практически полным освоением плавней, положение резко изменилось. Особенно резко увеличилось отношение Л'/О, что свидетельствует о снижении устойчивости геосистемы. Анализ урожайности риса за период с 1970 по 2000 г. показывает, что она меньше климатически обеспеченной. Это связано не только с несовершенством системы земледелия, но, по-видимому, и со снижением устойчивости агроценозов.

Таблица.5. Динамика средообразующих факторов и показателей состояния ПТК-2

Период Показатель

Я В, т/га Б N, 1 О, т/га | т/га Л'/О g, мм

Естественные угодья (плавни)

Природное состояние | 0,57.0,721 93,1 | 1 | 21,6 | 71,5 | 0,30 1-(672.708)

Сенокосы и пастбища

Все периоды | 1,21 | 49,6 | 0,53 | 12 | 38,8 | 0,31 | +(520.750)

Неиспользуемые земли (заброшенные засоленные или подтопленные)

1860-1930 гг. 1,05 4,3 0,05 1 0,9 1,11 +(520.750)

1991-1999 гг. 1,28 ' 8,6 0,09 2 1,8 1,11 +(520. 750)

Пашня богарная

1860-1930 гг. 1,33 11,8 0,13 6,4 2,5 3,5 +(520.750)

1931-1960 гг. 1,33 16,3 0,18 10,5 3,4 3,09 +(520.750)

1991-1999 гг 1,34 21,2 0,23 14 4,4 3,17 +(520.750)

Пешня орошаемая

1961-1990 гг. 0,82 41,9 0,45 17,7 8,7 2,02 -146

1991-1999 гг. 0,82 41,9 0,45 17,9 8,7 2,06 -146

Рисовые оросительные системы

1931-1960 гг. 0,52 26,5 0,28 11,3 5,5 2,04 -(672.708)

1961-1990гг. 0,52 33,8 0,36 15,4 7 2,18 -(672. 708)

1991-1999 гг. 0,54 28,8 0,31 13,6 2,26 -(672.708)

ПТК-1 в целом

Природное состояние 0,57.0,72 93,1 1 21,6 71,5 0,30 -(672. .708)

1860-1930 гг. 0,65.0,78 83,9 0,9 19,8 ' 63,8 0,31 -(539. .546)

1931-1960 гг. 0,83.0,92 67,7 0,73 17Д 49,8 0,35 -(221. .156)

1961-1990 гг. 0,64. 0,70 59 0,63 17,3 36,4 0,48 -(490.487)

1991-1999 гг. 0,70. .0,76 55,5 0,6 16,4 35,1 0,47 -(422.404)

Изменение состояния природной среды ПТК-2 (в отличие от земель ПТК-1) связано, в основном, с изменением пидротермического режима. Значение индекса сухости Л изменилось с 0,57.0,72 до 1,21. Л,34 на отдельных видах угодий, т.е. до зональных, значений. При этом основные свойства ПТК-2, связанные с ее азональностью, должны были существенно измениться, что и произошло. Кроме того, если в условиях ПТК-1 сельскохозяйственное использование земель явилось основным фактором, способствующим ухудшению состояния природной среды, то в условиях ПГК-2 широкое развитие рисосеяния, напротив, способствовало некоторой стабилизации состояния природной среды. Выращивание риса, режим орошения которого - затопление, в значительной степени воспроизводит природный водный режим плавней (ежегодное затопление речными водами). Иными словами, рисосеяние в дельте р. Кубань - пример правильного использования принципа «природных аналогий».

Таблица 6. Среднегодовой водный и солевой режимы ПТК-2

Элемент баланса о 81 И « О н о о о о о « ч о о. я е- Период

1 1860-1930 г г . и и о Оч со 1 1961-1990 г г . - 1991-1999 г г .

Водный баланс, км3

Речной сток на верхней границе ПТК 12,08 12,16 12,75 11,34 12,25

Атмосферные осадки 2,8 2,57 2,76 2,84 2,85

Сток горных рек левобережья р. Кубань 0,85 0,83 0,87 0,84 0,85

Напорное питание подземных вод 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6

Поверхностный приток с ПТК-1 0,48 0,44 0,42 0,25 0,49

Подземный приток с ПТК-1 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Оросительная вода 0 0 0,19 2,71 3,96

Отток речных вод на нижней границе ПТК 9,28 9,47 11,1 8,21 9,29

Испарение 6,42 6,02 5,37 6,42 6,43

Поверхностный отток 1,43 1,43 1,2 0,41 0,18

Подземный отток 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18

Коллекторно-дренажные воды 0 0 0,07 1,06 1,35

Испарение с водохранилищ 0 0 0 0,1 0,1

Изменение запасов влаги &№ 0 -0,002 -0,019 -0,01 +0,01

Солевой баланс, млн. т

Приток солей с речными водами на верхней границе ПТК 3,50 3,53 3,70 3,29 3,55

Поступление солей с атмосферными осадками 0,06 0,05 0,06 0,06 0,06

Приток солей со стоком горных рек 0,36 0,41 0,49 0,50 0,36

Приток солей с напорными водами 1,2 1,2 1,6 1,2 1,2

Приток солей с подземным притоком с ПТК-1 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

Приток солей с поверхностными водами с ПТК-1 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

Приток солей с оросительными водами 0 0 0,06 0,79 1,15

Отток солей с речными водами на нижней границе 2,69 2,75 3,27 3,17 3,84

Отток солей с поверхностным стоком 2,29 2,29 1,92 0,65 0,29

Отток солей с подземными водами 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45

Отток солей с коллекторш-дренажными водами 0 0 0,13 1,91 2,00

Изменение запасов солей ЛС 0 0,012 0,045 -0,028 0,049

Изменение процентного содержания солей в метровом слое почвы за период, % 0 0,014 0,022 -0,014 0,007

Результаты составления водного и солевого балансов достаточно наглядно иллюстрируют изменение водного и солевого режимов земель ПТК-2 (табл. 6).

Обвалование части плавней за 1860-1930 гг. привело к обсыханию плавней и их засолению (A W-- 0.002 км3, АС = + 0,012 млн. т). Второй период (1931-1960 гг.), когда из освоенных 184,1 тыс. га были введены в эксплуатацию первые рисовые оросительные системы на площади 19 тыс. га, характеризовался необходимым отводом воды (AW = - 0,019 км3) и увеличением интенсивности накопления солей ( АС = + 0,045 млн. т).

Эффективным с позиции регулирования солевого режима плавней был период с 1961 по 1990 г., когда площади рисовых оросительных систем в дельте достигли 236 тыс. га, в том числе 188 тыс. га в ПТК-2. В этот период происходит снижение интенсивности отвода воды (AIV = - 0,01 км3) и достаточно интенсивное рассоление плавней (ДС- - 0,028 млн. т). Последний период 1991-1999 г, характеризующийся снижением площадей орошения и увеличением площадей заброшенных и неиспользуемых земель, сопровождался ухудшением мелиоративного состояния ПТК, в том числе засолением почв (Д W= +0,01 км3, АС= +0,049 млн. т). Результаты расчетов водного и солевого балансов подтверждаются данными натурных наблюдений за водным к солевым режимами почв.

Выполненный анализ дает основание говорить о том, что основными задачами для рассматриваемого ПТК являются регулирование водного и солевого режимов почв и совершенствование структуры использования сельскохозяйственных угодий. Развитие рисосеяния в данной ситуации в значительной степени позволяет решить вопрос регулирования водного и, главным образом, солевого режимов почв, однако не решает проблем устойчивости агро-ценозов и управления почвенным плодородием. Последние связаны в основном с общими запасами биомассы в почвах.

ПТК-3. Связь ПТК-2 с приморскими лиманами достаточно тесна - основное влияние на состояние приморских лиманов оказывают поверхностный сток и коллекторно-дренажные воды. Поступление этих вод в приморские лиманы, с одной стороны, оказывает положительное влияние, способствуя снижению минерализации воды в лиманах, с другой - отрицательное, содействуя загрязнению лиманов.

Современная дельта является ландшафтным концентрирующим образованием, принимающим на себя остаточное количество пестицидов, внесенных не только на землях Краснодарского края, но и с соседних регионов. Наибольшее перемещение пестицидов происходит с рисовых оросительных систем, так как они легко растворимы и в период технологического сброса вместе со сбросными водами через коллекторную сеть поступают в Приазовские плавни и далее в Азовское и Черное море.

При массированных сбросах воды донные отложения илистых частиц активно перемешиваются с водой и адсорбируют растворенные в ней пестициды. Возникает эффект аккумуляции и содержание пестицидов в донном иле по концентрации превышает их концентрацию в сбросных водах в 10-100 раз. Особую опасность представляют почвенные гербициды, которые выносятся с обработанных полей в количестве около 14 % от внесенных. При ежегодном внесении гербицидов, фунгицидов и инсектицидов происходит их накопление в илистых фракциях донных отложений, как правило, в неизмененной формуле или в виде метаболитов. Это обстоятельство приводит к резкому снижению численности гидробионтов и, в первую очередь, сказывается на уменьшении рыбных ресурсов.

ПТК-3 представлен системой приморских лиманов, имеющих непосредственную связь с Азовским морем. В сельском хозяйстве эти лиманы не используют, они являются естественными рыбохозяйственными угодьями. >

Требования рыбного хозяйства к состоянию приморских лиманов можно свести к следующему:

1. Уровни воды в лиманах и амплитуда их колебаний. Уровни воды в лиманах более или менее стабильны, а амплитуда их колебаний практически не зависит от объема речного стока.

2. Объем речного стока. Расчет водного баланса ПЛС-2 показал, что объем речного стока в приморские лиманы с 1961 по 1999 г. удовлетворяет рыбохозяйственным требованиям.

3. Миыераличапия воды в приморских лиманах. При современном внутригодовом распределении речного стока рыбохозяйственные требования к минерализации воды в приморских лиманах выполняются.

4. Температура воды в лиманах. Температура приморских лиманов в значительной степени определяется температурой прибрежных вод Азовского моря и, при неизменных глубинах лиманов, нет оснований ожидать резких колебаний термического режима.

5. Биогенный сток. Биогенный сток р. Кубань в естественных условиях составлял: азот -13,7 тыс. т в год, фосфор - 9,5 тыс. т в год. В последующие периоды он увеличился, что было связано с развитием сельского хозяйства, химизацией и мелиорацией.

6. Зарастание приморских лиманов водной растительностью ухудшает условия нереста и нагула рыбы.

Анализ состояния природной среды приморских лиманов выполнен по отдельным периодам.

- За период 1860-1930 гг. объем речного стока на нижней границе ПТК-3 (9,47 кмЗ) ненамного превышал естественный (9,28 км3), приток морских вод около 1,8 км3. Соотношение объема солей, поступивших из моря к объему солей, вынесенных с речным стоком С0„/Сй =4,6. Минерализация воды в приморских лиманах при бытовых расходах воды составляла в среднем 6.7 г/л. К 1930 г. общая площадь приморских лиманов равнялась 1114,4 км2, открытая поверхность занимала 53,8 % общей площади.

В период 1931-1960 гг. безвозвратный отбор воды из р. Кубань составляя 2,73 км3, а объем коллекторно-дренажных вод с минерализацией 1,8 г/л в связи с развитием рисосеяния 0,07 км3 в год. Примерно на 1,82 км3 снизились потери стока в дельте в результате обвалования части плавней и русл Кубань и Протока. Тагам образом, отток в лиманы и море речных вод составил 11,1 км , а с учетом коллекторно-дренажных вод - 11,17 км3. Приток морских вод увеличился в результате нагонов почти до 2 км3. Основной фактор, оказывающий негативное воздействие на рыбное хозяйство в этот период, - сброс с коллекторно-дренажными водами с рисовых полей большого количества ядохимикатов. Увеличение биогенного стока сопровождалось развитием водной растительности и уменьшением площади открытой водной поверхности лиманов - 47. .50 % общей площади. Изменение состояния природной среды приморских лиманов в этот период (зарастание лиманов, сброс ядохимикатов с коллекторно-дренажными водами) ухудшило рыбохозяйственные условия, продуктивность промысловых рыб снизилась.

В период 1960. 1990 гг. безвозвратное водопотребление в бассейне р. Кубань составило 1,65 км , а сброс коллекторно-дренажных вод с рисовых систем - 1,06 км3. Минерализация воды в лиманах в связи с уменьшением речного стока увеличилась до 8. .9 г/л. Таким образом, влияние хозяйственной деятельности (в основном рисосеяния) усилилось, условия рыбного хозяйства ухудшились, а производство рыбной продукции резко снизилось. Этому способствовало широкое применение в этот период ядохимикатов на рисовых системах.

В результате уменьшения площадей рисовых оросительных систем и неиспользования части орошаемых земель отток в лиманы и море в период 1990. 1999 гг. несколько увеличился и составил 9,29 км3 (см. табл. 6), что привело к некоторому снижению минерализации воды в приморских лиманах. Кроме того, резкое сокращение применения ядохимикатов на посевах риса улучшило условия рыбного хозяйства

Таким образом, современное состояние приморских лиманов при условии отсутствия сброса ядохимикатов можно характеризовать как удовлетворительное.

Выполненный анализ позволяет сформулировать основные проблемы, решение которых необходимо для нормализации состояния природной среды дельтовой геосистемы. Это прежде всего предупреждение дальнейшей сработки запасов почвенного гумуса, увеличение биоразнообразия и общих запасов биомассы. Решение этих проблем возможно при условии широкого внедрения адаптивно-ландшафтных систем земледелия, применении комплексных мелиораций и оптимизации мелиоративных режимов почв.

4. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. КРИТЕРИИ И МОДЕЛИ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ

Системный подход к исследованию деятельностно-природных комплексов предусматривает три уровня рассмотрения: сами компоненты природной среды (атмосфера, биоТа, почва, вода); структура взаимосвязи этих компонентов в отдельных частях (ПТК); структура взаимодействия ландшафтов в геосистеме и ее функционирование. Все это должно быть рассмотрено на фоне конкретной хозяйственной деятельности.

Таким образом, для характеристики природной системы необходимо оценивать группу ее свойств, которые являются системообразующими факторами. Численные значения факторов, по существу, и будут интегральными характеристиками (критериями), отражающими состояние как отдельных компонентов, так и геосистемы в целом. Сложность заключается в том, что интегральные характеристики (критерии) должны учитывать влияние хозяйственной деятельности.

Климат. В качестве интегрального критерия для этого компонента целесообразно использовать показатель гидротермического режима или «индекс сухости» Будыко, который в обобщенном виде может быть выражен: л- «('-Л)

Гидротермический режим дает представление о балансе солнечной энергии и естественном увлажнении в пределах рассматриваемых территорий, позволяет оценить тип водного режима почв (промывной, выпотной), интенсивность биологических, гидрогеологических и геохимических процессов и, что особенно важно, учесть хозяйственную деятельность. Анализ гидротермического режима позволил выделить в пределах дельтовой геосистемы р. Кубань зональные (Л = 1,2) и азональные (И- О,57. .0,72) части (ПТК) и оценить их биологическую продуктивность в естественных условиях.

Биота. Для биоты интегральными критериями являются общие запасы биомассы Б, ежегодный прирост биомассы Лг, возврат биомассы в почву (опад) О и отношение N/0. Они в совокупности характеризуют состояние биоты и экологическую устойчивость ПТК.

Почва. Для почвы в качестве интегрального критерия использован индекс почвы 5. Он характеризует уникальное свойство почв - их плодородие как в естественных, природных условиях, так и при сельскохозяйственном использовании. Индекс почвы 5 определяется запасами и составом гумуса, наличием элементов минерального питания (ЫРК), химическим составом (рН) и содержанием воднорастворимых солей (С. А. Пегов, П.М. Хомяков, 1991).

Воды. Для оценки поверхностных вод использованы три показателя - объем, режим стока и минерализация речных вод в створе г. Краснодар, в устьях рек Кубань и Протока, а также в приморских лиманах. Для подземных вод основными критериями являются уровень залегания, минерализация и объем напорного питания (воды и солей).

Отдельные части (ПТК) геосистемы целесообразно характеризовать такими показателями, как распаханность, общие запасы биомассы, ежегодный прирост, опад и их отношение.

Для оценки взаимодействия отдельных частей (ПТК) геосистемы использовали такие показатели, как подземный и поверхностный приток и отток воды и солей.

Для геосистемы в целом - общие запасы биомассы Б, ежегодный прирост и опад (N и О), водо- и солеобмен на границах геосистемы (вершина дельты, Азовское море, подошва четвертичных отложений). Подземный отток по северо-восточной границе не учитывали в виду его незначительности. В совокупности эти критерии характеризуют состояние геосистемы.

В работе использованы простые регрессионные модели, построенные на основе анализа результатов натурных экспериментов и использования методов теории вероятности. Такие модели позволяют изучать природные процессы по схеме: критерий - состояние - воздействие - последствия. Возможность и целесообразность такого подхода к моделированию обусловлены тем, что, во-первых, сложные природные системы функционируют в определенном, достаточно узком диапазоне внешних условий и число состояний природной системы конечно. Во-вторых, автора интересует в основном конечное измененное состояние природных систем, а не переходные процессы. В условиях хозяйственной деятельности время стабилизации конечных состояний компонентов природной среды изменяется от нескольких часов и суток ддя атмосферы до нескольких лет и десятков лет для водных ресурсов, биоты и почв.

Биологическая продуктивность растительности. Для расчетов использованы наиболее простые эмпирические зависимости продуктивности растительности от внешних факторов (тепло, влага, элементы питания) и свойств самих растений. Для естественной растительности использованы данные Н.И. Базилевич (1965), Л.Е. Родина (1965), В.А. Ковды (1973), М.И. Будыко (1977) и др.

Зависимость продуктивности естественной растительности от факторов внешней среды в этом случае выражают формулой (Айдаров, 1985): где N - продуктивность, т/га в год; А - коэффициент пропорциональности, А - 1,2; а -коэффициент, учитывающий видовое разнообразие и состояние растительности.

Для культурной растительности использована зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от обеспеченности теплом, влагой и элементами минерального питания (В.В. Шабанов, 1986), учитывающая основные законы земледелия. где Уф- фактическая урожайность данной культуры, т/га; У,- потенциальная урожайность данной культуры при оптимальных сочетаниях всех факторов внешней среды, т/га. В качестве У„ может быть принята урожайность данной культуры, которую получают на Государственных сортоиспытательных участках, или она может быть рассчитана по приходу фотосинтетически активной радиации (ФАР); К, - коэффициент, учитывающий отклонение теплового режима корнеобитаемого слоя почвы от оптимального. Для рассматриваемых условий теплообеспеченность, как правило, находится в оптимальном диапазоне, поэтому К, можно принять равным 1; К№к - коэффициент, учитывающий несоответствие фактического содержания элементов минерального питания в почве оптимальному. Кт = \)ЫРК. ЪдесъЫ,Р,К- содержание доступных растениям элементов минерального питания (азот, фосфор, калий), доли максимально возможного их содержания в данных условиях; Кс- коэффициент, учитывающий снижение урожайности в результате засоления почв; коэффициент, учитывающий отклонение влажности корнеобитаемого слоя почвы от оптимального для растения значения

9) уф=у„к,к№Хкл

10)

К =

ЩГг

М-

И)

Г,-*^; (12) т-ВЗ т-ВЗ где Ш, - объемная влажность корнеобиггаемого слоя, доли объема; Жор - оптимальная влажность корнеобитаемого слоя, доли объема; т - пористость почвы, доли объема; ВЗ- влажность завядания (0,2.0,25 т); у - параметр, характеризующий отзывчивость растений на отклонение влажности почвы от оптимальной.

Значения параметров Wr.pt и у Для различных сельскохозяйственных культур в среднем за вегетационный период принимались по данным В.В. Шабанова.

Для оценки водного режима почв (¡У,) использованы наиболее простые модели, основанные на системе уравнений баланса почвенной влаги и грунтовых вод, связанных дополнительным уравнением водообмена между почвенными и грунтовыми водами (И.П. Айдаров, А.И. Голованов, Ю.Н. Никольский, 1990):

Г, = +11(Ос+Ор-Е-в1д), (13)

Л^Д.-гё/Дг+а,-?*}- (14) е = (15) где Ж, и Шн-конечная и начальная на отрезке времени (5 (сут) объемная влажность в расчетном слое почвы толщиной . изменяющемся в течение вегетации, %; Ос, Ори Е - относятся к интервалу времени /<5, м; Е. - суммарное испарение, рассчитывают по интервалам {3 в зависимости от метеорологических условий, биологических особенностей растений и влажности почвы средней на отрезке ?<5; \УС - (й^ + Шн)(2; Д^и Д, - конечная и начальная глубина уровня грунтовых вод, м; интенсивность водообмена почвенных и грунтовых вод с положительным направлением здесь «минус» - вниз, м/сут; коэффициент водоотдачи или недостатка насыщения в зоне колебания поверхности грунтовых вод; подземный приток (включая напорное питание), м/сут; - дренажный сток, = Ь{Ндр-Ас), м/сут. Здесь .О - модуль дренажного стока, приходящийся на единицу напора над дренами, м/сут на м; глубина заложения дрен, м; Ае - (Д, + Д„)/2; Л, - коэффициент влагопроводности почвы при влажности, соответствующей ПВ, к, = к л ^ ММВ | ^ ^^ здесЬ

I, т-ММВ ) кф - коэффициент фильтрации почвы, м/сут; ПВ - полная влагоемкость с учетом защемленного воздуха. ПВ = яг-(0,05.0,10); ММВ- максимальная молекулярная влагоемкость; л=3,5.9 в зависимости от типа почв, ее механического и микроагрегатного состава;

9С = (ТГС - Ж,)/(ПВу = у'у1{Ас - ^. Здесь \ = ¡У{в)с1в - "приведенная" высота капиллярного поднятия, - капиллярный потенциал почвенной влага.

Зная начальные значения и Л„, можно по системе уравнений вычислить значения РГ„ и Л„ на конец интервала времени . Значения и Д„ становятся начальными для следующего интервала. Интервал времени 13 принят равным одному месяцу.

Для определения ежегодного прироста биомассы Л/ (продуктивности культурных растений) и возврата биомассы в почву О (опада) использованы данные РосНИИземпроекта о зависимости между урожайностью (основной продукцией) и приростом биомассы.

Общие запасы биомассы определяли с учетом применяемой системы земледелия и гумификации растительных остатков.

Почвы. В качестве наиболее простой модели, описывающей почвы, взят «индекс почвы», предложенный С.А. Пеговым и П.М. Хомяковым. «Индекс почвы» 5 характеризует основное свойство почв - их плодородие. В качестве основных показателей, определяющих плодородие, использованы общие запасы и состав гумуса, содержание элементов минерального питания, величина гидролитической кислотности,

8=а0{вг +а,Щ )+8,5Улта: +5,1ехр[-)(Яг -1)|/«,], (16) где а„ = 0,011 га/т; б, и Сф- запасы гуматного и фульватного гумуса, т/га; Ы,Р,К - наличие элементов минерального питания (азот, фосфор, калий), доли от максимального их содержания; Нг - гидролитическая кислотность, мг-эка/100 г; а, =4мг-экв/Ю0 г.

Изменение содержания гумуса в почвах оценивали по зависимости (И.П. Айдаров, 1997)

О = (?,/С0 = ехр(-г/Г), (17) где <3, и <70 - содержание гумуса на момент времени Т и исходное содержание на момент Г0, т/га; Т - время, годы; у -Б})/Б0. Здесь с, - коэффициент, характеризующий интенсивность микробиологической деятельности в почве (£ = 0,01 для богарных, <£=0,02 для плавней и £=0,03 ДОЯ орошаемых земель);. ЛГ,, и Бх - возврат биомассы в почву в существующих и прогнозных условиях, включая подстилку и внесение навоза, т/га.

Состав гумуса <3,, С!ф и величина Нг определяли в зависимости от показателя гидротермического режима Л.

Дня оценки солевого режима почв дельты использованы результаты исследований С.Ф. Аверьянова (1978), И.П. Айдарова (1985), А.И. Голованова (2000), В.Х. Хачатурьяна (1997) и др.

Солевой режим почв прогнозируют, используя данные по водному режиму и уравнений конвективной диффузии.

Для прогноза концентрации С несорбируемого почвой токсичного хлор-иона применялось уравнение ша8Са/д1 = Э'ад2Са1ехг -ядСа!дх, (18)

Для прогноза изменения состава катионов Иа+, Са++ и Мц"" в почвенном поглощающем комплексе применялась система дифференциальных уравнений движения и ионообменной сорбции этих катионов п.ъсць^ь^ь^ьх1 -гъс^дх-еы^ы, (19) тйдСъ№ = Осад2ССа1дхг-$дСс,1дх-ЗЫСа1д1, (20) т,дСщ1д1^0'^82Сие/дхг-гдСщ1дх^щ /&, (21) где та - активная пористость почв в долях объема почвы; — содержание ионов СГ, Иа+, Сам, в почвенном растворе, мг-экв/100 г; I - время, сут; х - глубина от поверхности почвы, м; - коэффициент конвективной диффузии, м2/сут. О] = ; X, -коэффициент гидродинамической дисперсии, м. Значение Я определяют для несорбируемого иона хлора, а для остальных ионов - с учетом их особенностей: >*№ = 2Ха; Яса = 4,2Ха;

Хме = 3,5Хс|. Ниже приведены значения Аа в зависимости от содержания в почве физической глины по данным (Айдаров, 1985).

0,01 мм, % <10 10.20 20.40 40.60 60.80

Хсьм 0,01.0,05 0,05.0,1 0,1. „0,2 1 0,2.0,5 0,5.1,0

Для упрощения расчетов солевого режима использована номограмму В.Х. Хачатурья-на (1997).

Состав почвенного поглощающего комплекса рассчитывают с учетом содержания ионов Ыа+, Са^ и в почвенном растворе, емкости катионного обмена (ППК) и изотерм ионообменной сорбции. + = (22) &» (23)

-^С/й/^/С^ , (24) где ^а^ма'^са'^мг ~ содержание ионов СГ, №+, Са++, Мц?* в почвенном поглощающем комплексе, мг-эквЛ 00 г; С, - содержание тех же ионов в почвенном растворе; К, и К1 -коэффициенты изотерм ионообменной сорбции. К} - 0,0265ППК; К2 = 0,032ППК.

Расчет напорного питания (притока подземных напорных вод) оценивают в работе по данным наблюдений за уровнем грунтовых вод и пьезометрическим напором в водоносном пласте, а также по наблюдениям за меженным стоком малых степных рек (Кочеты, Кирпили, Бейсуг, Челбас, Сосыжа и др.).

Очень важный показатель - степень распаханности территории (ОАдт, 1971, Н.Ф. Реймерс, 1994). и^/ХЧ, . (25) где и>„ - площадь пахотных земель, га; - общая площадь территории, га.

При определении наиболее целесообразного с точки зрения экологии и эффективности значения ус , с одной стороны, учитывали ущерб природной среде, с другой - социально-экономический эффект в виде стоимости получаемой сельскохозяйственной продукции. Оптимальная степень распаханности будет соответствовать максимальному значению эколого-экономического эффекта.

При экономической оценке экологического ущерба природной среде, наносимого природопользованием, необходимо учитывать специфику природных условий рассматриваемой территории. Поэтому учитывали ущерб земельным ресурсам (почве), биологическим ресурсам (растительности, животному миру) и водным ресурсам ПТК в соответствии с методикой определения предотвращенного экологического ущерба.

Экологический ущерб почве от ухудшения свойств и плодородия под воздействием сельскохозяйственного производства (в ценах 1999 г.), тыс. руб./га:

У„=У^ДЖЛ, (26) где У* - норматив стоимости черноземных почв, для Краснодарского края У^ =302,6 тыс. руб./га; К„ - коэффициент природно-хбзяёственной значимости почв, для Краснодарского края с учетом бонитета почв К„ = 3,96. У„ =1200* Д5'. Здесь А5 - степень снижения плодородия почв в результате их сельскохозяйственного использования: Д? = 1-,!>(/'£0; $ -значение «индекса почвы» при антропогенном воздействии; 50 - исходное значение «индекса почвы», характеризующее уровень ее плодородия. Значения и 50 вычислялись с продолжительностью прогнозного периода 50 лег.

Экологический ущерб биоте в результате сельскохозяйственного использования земель, тыс. руб./га:

УЙ=ЛЖЯ, (27) . где Е - коэффициент биомассы в соответствии с особенностями природной зоны, для Краснодарского края Е- 30; Н - норматив взысканий за ущерб, причиненный ухудшением почв, Я =47,2 тыс. руб./га. У, =141645.

Экологический ущерб животному миру в результате сельскохозяйственного использования территории определяют с учетом численности и соотношения различных видов животных (птицы, копытные, хищники и др.) и изменения общих запасов биомассы в пределах рассматриваемой территории, тыс. руб./га:

У„=НЖ(1-£,/£„), (28) где Нж - норматив стоимости животного мира, для дельтовой геосистемы Кубани Нж =284 тыс. руб./га; £, й Б0 - общие запасы биомассы в антропогенных и природных условиях соответственно, т/га.

Экологический ущерб водным ресурсам от загрязнения вод в результате сельскохозяйственной деятельности вычисляли в зависимости от водоотбора на орошение, сброса кол-лекторно-дренажных вод и объема поступления загрязняющих веществ, тыс.руб/га: Уа =У?М0К„ (29) где У^ - норматив удельного ущерба, наносимый водным ресурсам в результате загрязнения, для Краснодарского края УЦ'' = 8023 тыс. руб. за условную тонну загрязняющих веществ; М0- масса поступлений загрязняющих веществ, условных тонн в год, и

М0 = »г, * к„ . Здесь т, - масса поступлений 1-го загрязняющего вещества, т/год; к„ - ко1 эффициент относительной эколого-экояомической опасности ¡-го загрязняющего вещества; п - число учитываемых загрязняющих веществ; К, - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости, Кг = 2,9.

Экологический ущерб, причиняемый почвам и биоте в результате подъема уровня грунтовых вод Уа при орошении земель, оценивают как стоимость строительства дренажа, обеспечивающего поддержание требуемого водного и солевого режимов почв (С.Ф. Аверьянов, 1978).

Общий экологический ущерб, причиняемый природной среде сельскохозяйственным производством, определялся как сумма указанных ранее ущербов. Общий социально-экономический эффект от сельскохозяйственной деятельности определяли как стоимость получаемой сельскохозяйственной продукции.

5. ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ И СТРУКТУРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЕЛЬТОВОЙ ГЕОСИСТЕМЫ КУБАНИ

Основные пути реализации «устойчивого-развития» и природообустройства как особого вида деятельности подробно рассмотрены в работе А.И. Голованова (2000 г.) и включают ряд принципов:

1) принцип целостности: объектом природообустройства должен быть не отдельный компонент природы, а определенного ранга геосистема, включающая взаимообусловленный набор компонентов природы и развивающаяся как единое целое;

2) принцип природных аналогий: применение технологий природообустройства, которые по возможности воспроизводят естественные процессы фунищонирования компонентов природы;

3) принцип сбалансированности: соответствие хозяйственной деятельности на обустроенной территории ресурсным и экологическим возможностям природных систем;

4) принцип необходимого разнообразия: управляющая техногенная система тогда может успешно справиться со своей функцией, когда она будет устроена так же разнообразно, как и управляемая природная система;

5) принцип адекватности воздействия: управление природными системами должно строится на прямых и обратных связях, что очень важно для управления природными процессами, происходящими при сильной изменчивости й слабой предсказуемости погодных условий;

Такая постановка проблемы предусматривает согласование требований социально-экономического развития и требований природной среды рассматриваемой территории.

Краснодарский край традиционно является зоной зернового хозяйства, где производят пшеницу, ячмень, кукурузу, рис, а также подсолнечник и овощи, т.е. сельскохозяйственные культуры, составляющие основу питания населения. Урожайность зерновых культур с 1930 по 1996 г. увеличилась более чем в 2,7—2,8 раза, а сбор зерна - в 2,8.3,3 раза. Начиная с 1980 г. повышение урожайности зерновых замедлилось, а сбор зерна с 1980 по 1996 г. увеличился всего в 1,3. 1,4 раза.

Производство риса в Европе и США составляет около 15 % объема производства пшеницы, в странах Юго-Восточной Азии - 200 % и более. В России производство риса в 1980 г. составляло около 3 %, а в 1996 г. - 1,4 % производства пшеницы. Учитывая ценность риса как продукта питания и возможности увеличения его урожайности, производство риса в России необходимо увеличить, но обязательно согласовав объемы с наличием водных ресурсов и с экологическими требованиями.

Требования социально-экономического развития Краснодарского края включают интенсификацию сельскохозяйственного производства при рациональном использовании природных ресурсов. В качестве требований природной среды (геосистемы) использованы ограничения, вытекающие из основ природообустройства, в том числе из принципа природных аналогий и принципа необходимого разнообразия.

Учитывая особенности почвенно-климатических, гидрологических и геохимических условий, в работе рассмотрены направления развития АПК по ПТК-1 и ПТК-2.

Рассмотрены два основных сценария развития дельты: -сохранение существующей системы земледелия, т.е. существующей структуры севооборотов орошаемых и богарных земель, существующей техники и технологии орошения, минимальных доз внесения минеральных удобрений;

-рационализация сельскохозяйственного производства за счет внесения минеральных удобрений, изменения структуры использования земельных ресурсов, применения экологически целесообразной техники и технологии орошения, в частности, сокращение оросительных норм и применение прогрессивных способов полива, сидеральных удобрений и др.

Цель анализа первого сценария - оценить возможные экологические и социально-экономические последствия применения существующей системы природопользования в АПК и показать недопустимость ее сохранения в перспективе.

Второй сценарий рассматривается как система рационального ведения сельского хозяйства, при которой в процессе отчуждения естественных природных ресурсов с целью получения непосредственного социально-экономического эффекта не происходит серьезных нарушений основных свойств геосистемы. Иными словами, необходимо дальнейшее развитие сельскохозяйственного производства при условии получения максимума продукции на единицу расходуемый природных ресурсов (биота, почва, вода и т.д.), что, однако, не означает получения максимально возможных для данных почвенно-климатических условий урожаев. Реализовать это можно за счет применения комплексных мелиораций, оптимизации мелиоративных режимов и структуры использования земель геосистемы.

Вопросы оптимизации мелиоративных режимов применительно к орошаемым и осушаемым землям рассмотрены в работах И.П. Айдарова, А.И. Голованова и др. В разработанных рекомендациях указаны пределы регулирования гидротермического режима территории, водного, солевого и питательного режимов иочв. Рекомендации направлены в основном на возможно более полное соответствие хозяйственной деятельности природным условиям.

Вопросы обоснования степени использования ландшафтов рассмотрены в работах Ос1ит, 1971, Н.Ф. Реймерс, 1994. Для степной зоны рекомендуется сохранение до 35.40 % естественных экосистем, но местами допускается распахивать до 80 % площади. Такие общие рекомендации для конкретных геосистем неприемлемы, так как не учитывают особенностей природно-хозяйственных условий.

В связи с этим основное внимание в работе уделено вопросам обоснования степени использования территорий отдельных ПГК дельтовой геосистемы Кубани при различных вариантах системы комплексных мелиораций на богарных и орошаемых землях. При этом под степенью использования территории понимается степень распаханности и>.

В качестве основного критерия оптимальности степени использования принят эколо-го-экономический эффект. Он представляет собой разницу между получаемым экономическим эффектом (в виде стоимости сельскохозяйственной продукции и предотвращенного экологического ущерба) и экологическим ущербом, наносимым природопользованием и включающим ущерб почве, биоте, животному миру, водным ресурсам в зависимости от применяемой системы комплексных мелиорации. В качестве нормативной базы для определения экологического ущерба использована методика определения предотвращенного экологического ущерба, в качестве методологической - система моделей, приведенная а разделе 3. По существу это обоснование экологических критериев, ограничивающих хозяйственную деятельность в пределах дельтовой геосистемы р. Кубань.

ПТК-1 (ВЕРШИНА ДЕЛЬТЫ И ПРИРЕЧНЫЕ ГРЯДЫ)

С целью реализации отмеченных выше принципов природообустройства в структуре сельскохозяйственных угодий целесообразно предусмотреть организацию на богарных землях зерновых и кормовых севооборотов с насыщением их посевами многолетних трав. На орошаемых землях - кормовых севооборотов с выращиванием наиболее отзывчивых на полив сельскохозяйственных культур.

Такая специализация богарных и орошаемых земель позволяет получать, с одной стороны, достаточное количество кормов на орошаемых землях. С другой - запахивать хотя бы один раз в ротацию многолетние травы на богарной пашне в качестве сидератов, т.е. использовать принцип природных аналогий и в какой то степени восполнять запасы органики в почве. Кроме того, в структуре сельскохозяйственных угодий необходимо предусмотреть организацию сенокосов и пастбищ, которые можно рассматривать как полуприродные угодья (Ойит, 1971, Н.Ф. Реймерс, 1994). Соотношение площадей различных угодий в сочетании с комплексными мелиорациями должно обеспечивать сохранение почвенного плодородия, достаточную экологическую устойчивость ПТК и получение соответствующего объема сельскохозяйственной продукции.

Для оценки возможных экологических и социально-экономических последствий сохранения существующей системы земледелия, мелиорации и водного хозяйства использованы исходные статистические данные по Краснодарскому краю. Стоимость сельскохозяйственной продукции (по данным Роскомзема в ценах 1999 г.) составляет: зерновые около 1500 руб./т, многолетние травы на сено - 259, подсолнечник - 2830, овощи - 2590, рис -3500 руб./т.

Для ПТК-1 рассмотрены следующие варианты первого сценария (сохранение существующей системы земледелия, техники и технологии орошения):

1.1. Богарное земледелие -существующее положение. Возврат растительных остатков в почву включает пожнивные остатки и корни. Солому, ботву и стебли убирают и используют на корм скоту и для других нужд.

1.2. Вариант 1.1, но с внесением минеральных удобрений дозами, компенсирующими вынос питательных веществ из почвы с урожаем.

1.3. Вариант 1.1, но кроме пожнивных остатков и корней на поле оставляют солому, ботву и стебли, которые после измельчения запахивают под зяблевую вспашку.

1.4. Вариант 1.3, но с внесением минеральных удобре-ний дозами, компенсирующими вынос питательных веществ из почвы с урожаем.

1.5. Вариант 1.3 плюс орошение части земель с использованием традиционной техники и технологии полива. Осредненные оросительные нормы нетто 3850 м /га, КПД системы каналов 0,7.

1.6. Вариант 1.4 плюс орошение части земель с использованием традиционной техники и технологии полива

Результаты выполненных расче-тов доказывают, что при сох-ранении существующей системы земледелия (вариант 1.1) в пределах ПТК-1 при и» >0.05 преобладает экологический ущерб (рис. 1), что говорит о нецелесообразности ее сохранения.

Внесение минеральных удобрений в количествах, компенсирующих вынос элементов питания с урожаем (вариант 1.2) и возврат биомассы за счет запаппш соломы, ботвы и стеблей (вариант 1.3) снижает экологические потери на 35.42 %. И только в варианте 1.4 (при одновременном увеличении возврата биомассы в почву и внесении минеральных удобрений в количествах, компенсирующих вынос элементов питания с урожаем) отмечен положительный эколого-зкономический эффект.

Данные свидетельствуют о том, что наиболее целесообразным с экологической и экономической точек зрения является вариант 1.4. Однако и он только снижает интенсивность сработай, но не обеспечивает сохранения почвенного плодородия.

Оценка эффективности орошения земель при существующей системе орошения (вариант 1.5 и 1.6: Ор"т =3850 м'/га, КПД = 0,7) позволяет сделать важные в научном и практическом отношении выводы.

Расчеты показывают, что орошение земель в рассматриваемых условиях - эффективное мероприятие, позволяющее более полно использовать природные ресурсы по сравнению с богарными землями. Вместе с тем традиционное орошение при использовании его на вари

Рис. 1. Суммарный эколого- экономический эффект на богаре в зависимостиот распаханности. 1 - вариант 1.1; 2 - вариант 1.3; 3— вариант 1.2; 4 - вариант 1.4; 5 - вариант 2.1. анте 1.3 не позволяет обеспечить положительный эколого-экономический эффект (см. рис. 2а). Внесение в тех же условиях удобрений дозами, компенсирующими вынос питательных веществ из почвы с урожаем (вариант 1.4), позволяет при изменении доли орошения от 0 до 0,4 получать положительный эколого-экономический эффект с максимумом при доле орошения 0,25 площади пашни (см. рис. 26).

Рис. 2. Суммарный эколого-экономический эффект при существующих системах земледелие и орошения и разных долях орошения пашни, а - вариант 1.5 ,б- вариант 1.6. - м»=0,2; 2 - №=0,4; 3 - ^=0,6; 4 - м/=0,8; 5 - \и=\,0

Анализ солевого режима черноземов при орошении показал, что опасность осолнце-вания почв отсутствует, однако для восполнения запасов кальция необходимо предусматривать внесение гипса дозой 2 т/га один раз в ротацию.

Выполненный анализ эффективности традиционного орошения позволил определить оптимальную площадь орошаемых земель для разных соотношений преобразованных и природных экосистем. Она составляет 20.30 % пашни, уменьшение и особенно увеличение площади орошения приводит к существенному снижению эффективности использования природных и материальных ресурсов, (см. рис. 2).

Таким образом, применение традиционной системы орошения при существующей системе земледелия хотя и позволяет увеличить эффективность использования природных ресурсов и производство сельскохозяйственной продукции, но не решает основной задачи рационального природопользования - сохранения и дальнейшего развития экологического и экономического потенциалов территории.

В связи с этим в работе рассмотрено второй сценарий - рационализация сельскохозяйственного производства, основанная на экологических принципах использования природных ресурсов, т.е. на основных принципах природообустройства (целостности, природных аналогий, сбалансированности, необходимого разнообразия, адекватности воздействия). С этих позиций при планировании сельскохозяйственного производства необходимо стремиться к возможно более полному сохранению природных средообразующих факторов и факторов, определяющих экологическую устойчивость территории и экономическую стабильность сельскохозяйственного производства. Реализация такого подхода к природопользованию обеспечит повышение экологического и экономического потенциала территории.

Система земледелия на богарных землях в этом случае предусматривает возврат в почву кроме пожнивных остатков и корней еще и соломы, ботвы, стеблей, а также запахивание многолетних трав в качестве сидеральных удобрений, применение навоза и минеральных удобрений.

Используя многолетние данные по климату, модели влагонереноса и продукционных процессов, а также данные по свойствам почв, рассмотрен водный режим почв и соответствующую ему урожайность основных сельскохозяйственных культур.

Исходные данные для составления прогнозов: почвы - черноземы: т =0,5; ППВ=0,35; ММВ =0,21; ВЗ =0,1; кф = 0,4.0,7м/суг; = 1 м.

Показатель Значение показателя по месяцам 2

04 | 05 | 06 | 07 | 08 | 09 | 10

Сумма осадков, мм 29,5 54,5 61,7 55,8 51 42,4 29,6 325 Испарение, мм 48 68 82 88 86 60 40 472 Факторы, определяющие продуктивность сельскохозяйственных культур (В.В. Шабанов - 1986):

Культура W Y

Зерновые 0.54 5,6

Многолетние травы 0.70 6,6

Овощи 0.67 5,3

Результаты расчета прогноза водного режима почв и урожайности сельскохозяйственных культур сведены в таблицу 7.

Таблица 7. Прогноз водного режима почв

Показатель Значение показателя по месяцам 2

04 | 05 | 06 | 07 | 08 | 09 | 10

Неорошаемые (богарные) земли

Влажность корнеобитаемого слоя почв, доли объема 0,32 0,29 0,26 0,22 0,18 0,16 0,15 0,23

То же, доли ППВ 0,91 0,83 0,74 0,63 0,51 0,46 0,43 0,64

Влагообмен между почвенными и грунтовыми водами, мм 14 21 15 2 0 0 0 52

Орошаемые земли

Оросительная норма нетто, мм 50 55 30 135

Влажность корнеобитаемого слоя почв, доли объема 0,32 0,29 0,26 0,26 0,26 0,26 0,24 0,27

То же, доли ППВ 0,91 0,83 0,74 0,74 0,74 0,74 0,69

Влагообмен между почвенными и грунтовыми водами, мм 14, .2.1 15 16 16 И 4 97

Урожайность сельскохозяйственных культур составит, т/га: на богарных землях: зерновые - 4,3; многолетние травы на сено - 4,0; подсолнечник - 2,0; на орошаемых землях: зерновые - 5,7; многолетние травы на сено - 8,0; овощи - 16,4:

Выполненные расчеты показывают, что при реализации основных принципов приро-дообустройства экономический эффект на богарных землях (вариант 2.1) превышает экологический ущерб (Рис. 1).

При орошении земель нормами, соответствующими экологическим требованиям (Ор""' --! 350 м3/га), имеет место положительный эколого-социапьный эффект. Полученные данные показывают, что при реализации основных принципов природообустройства (природных аналогий и сбалансированности) и оптимизации на этой основе мелиоративных режимов орошаемых земель (снижение Ор"а в 1,5. .2 и влагообмена gвЗ раза) целесообразно увеличить площади орошения до 40- 60 % площади пашни (рис.За).

Отличие от существующих в настоящее время рекомендаций орошения 20 % пашни (И.П. Кружшшн, Б.Б. Шумаков) объясняется тем, что они исходят из традиционных технологии и техники полива. Существенное различие в эффективности традиционной и экологической системы орошения в том, что при последней сохраняются средообразующие факторы (Л = 1,08), а при традиционной резко нарушаются (Л = 0,82). Это сопровождается значительными экологическими ущербами.

Рис. 3. Суммарный эколого-экономический эффект (в) и отношение эффекта к ущербу (в) при экологическом подходе к системам земледелия и орошения для разных соотношений преобразованных и природных экосистем^ - №=0,2; 2 - №=0,4; 3 - >с=0,б; 4 - тс=0,8; 5 - и=! ,0

Наглядный показатель увеличения эффективности использования природных ресурсов - отношение социального эффекта ж сумме экологических ущербов. Полученные данные показывают, что предлагаемая система комплексных мелиораций позволяет получить максимальный эколого-сОциальный эффект при орошении 40.60% пашни (см. рис. 36).

При предлагаемых экологических оросительных нормах располагаемые водные ресурсы позволяют увеличить площадь орошения в 1,5.2 раза. Совершенно очевидно, что при таком подходе не обеспечивается получение максимально возможной урожайности, она составит 0,8. .0,9 климатически обеспеченной. Вместе с тем на имеющихся площадях возможно увеличение производства продукции в 1,6. 1,8 раза

В работе рассмотрена эффективность предлагаемой системы мелиоративных мероприятий с точки зрения рационального использования и сохранения природных ресурсов.

Предлагаемая система орошения позволяет в 3,5.4 раза уменьшить ирригационное водопотребление (м3/га общей площади) и одновременно в 4,2.5,7 раза увеличить выход сельскохозяйственной продукции на 1 мг воды. Это очень важно с точки зрения рационального распределения водных ресурсов между сельским и рыбным хозяйством. а

•Традиционная - " - Предлагаемая | б % г л V ъ \

X \ * к №-0,2 / /

0,2 0,4 0,6 0,8 1

V, доли

Традиционная - ■ ■ Предлагаемая |

Рис. 4. Снижение плодородия почв («) и отношение социального эффекта к экологическому ущербу (в) при традиционной и предлагаемой системах орошения земель ПТК-1

Не менее важными показателями являются изменение плодородия почв и отношение экономического эффекта к суммарному экологическому ущербу. Из рис. 4 следует, что экологическая система орошения позволяет резко снизить интенсивность сработай плодородия почв. Следует, однако, отметить, что для сохранения плодородия почв предусмотренных мероприятий недостаточно - необходимо дополнительное внесение органических удобрений дозой 15. .20 т/га в год.

Таким образом, предлагаемая система комплексных мелиорации в пределах ПТК-1 позволяет:

1. Снизить интенсивность сработки почвенного плодородия в 3. .10 раз.

2. Увеличить эффективность использования природных ресурсов (водных и земельных) в 4.9 раз.

Для сохранения плодородия почвы требуется ежегодное внесение 15.20 т/га органики.

ПТК-2 (МЕЖГРЯДОВЫЕ И МЕЖРУСЛОВЫЕ ПОНИЖЕНИЯ, ПЛАВНИ)

Исхода из особенностей почвенно-климатических, гидрогеологических и геохимических условий, земли этого. ПТК целесообразно использовать под посевы риса. Это связано с тем, что в результате обвалования рек Кубань и Протока и исключения затопления в период освоения плавней наблюдалось развитие процессов засоления и деградации плавневых почв. Рисосеяние в этих условиях, в соответствии с принципом природных аналогий - наиболее приемлемый способ использования земель, так как в значительной степени воспроизводит природный водный режим плавней (затопление) и обеспечивает промывку почв. Однако, решая проблему предупреждения засоления почв, рисосеяние не обеспечивает воспроизводство их плодородия в связи с заменой природных биоценозов на агроценозы. Поэтому необходимо рассмотреть применение системы мелиоративных, биологических и других мероприятий, снижающих негативное влияние природопользования, в частности ограничение зоны рисосеяния землями, расположенными в наиболее пониженных частях плавней. Занимать под рисовые севообороты наиболее плодородные черноземные почвы нецелесообразно.

Ограниченность водных ресурсов и необходимость удовлетворения требований рыбного хозяйства требуют уточнение площадей рисосеяния и разработки соответствующих мелиоративных мероприятий, обеспечивающих сохранение благоприятной мелиоративной обстановки.

Основная задача обоснования структуры использования земель ПТК-2 - определение наиболее целесообразного соотношения посевов риса и сопутствующих культур (люцерны).

В работе также рассмотрен вариант перевода действующих рисовых систем под суходольные культуры на фоне систематического дренажа. Оба варианта предполагают сокращение средневзвешенной оросительной нормы.

Суходольные культуры. Один из основных критериев целесообразности структуры использования земель ПТК-2 - возможность управления солевым режимом почв.

Вертикальный дренаж в рассматриваемых; условиях нецелесообразен, так как отсутствуют хорошо проницаемые песчаные отложения большой мощности (кфт> 100 м2/сут). Поэтому в работе рассмотрен вариант применения систематического горизонтального дренажа.

Горизонтальный дренаж рассчитывали с учетом напорного питания. Результаты расчетов показывают, что для поддержания УГВ на глубине 3 м необходимо строительство закрытого дренажа глубиной Ндр= 3,5 м с междренным расстоянием В— 85 м. Стоимость такого дренажа (~305 тыс. руб./га) на порядок превышает стоимость строительства рисовой оросительной системы (18.30 тыс. руб./га). Кроме того, дренаж на площади 192,3: тыс. га, перехватывающий приток напорных грунтовых вод, сильно скажется на режиме мелких рек северной части края, что существенно отразится на экологической обстановке и ухудшит состояние водных экосистем. Поэтому этот вариант в дальнейшем не рассматривали как экономически и экологически нецелесообразный.

Рисовые оросительные системы. На Кубани приняты в основном 8-и, 7-и и 6-типольные рисовые севообороты, в которых в качестве основных культур приняты рис и люцерна (первого, второго и иногда третьего года вегетации) с включением в структуру севооборота агромелиоративного поля (АМП), необходимого для проведения планировочных работ. Насыщение рисом при существующих севооборотах составляет 50.82 %, а посевы риса по рису, обеспечивающих промывку, от 1 до 3 лег.

Исследованиями (Е.Б. Величко - 1984, В.Б. Зайцев - 1968) установлено, что при посевах в севообороте риса по рису с каждым последующим годом урожайность снижается на 1 т/га. Средняя урожайность риса за наиболее стабильный в рисосеянии Кубани период 1970 -1995 гг. составила 4,5 т/га, что принято за основу при расчете экономической эффективности.

При отсутствии засоления урожайность люцерны на сено составляет 10. 15 т/га. При наличии хлора в почвах урожайность люцерны снижается в зависимости от уровня засоления: при содержании в слое 1 м до 0,01 % хлора люцерна хорошо развивается, при содержании 0,011.0,048 % - угнетается, при превышении этого количества - сильно угнетается и при содержании хлора более 0,1 % наблюдается ее выпадение (Н.С. Тур - 1978).

При разном насыщении севооборота рисом будет создаваться различный солевой режим почвы. В работе составлен прогноз содержания хлора в почве рисовой системы для разного насыщения рисом севооборота. Результаты расчетов показывают, что в рассматривав мых условюи (засоленные почвы) применять структуру 6-, 7-, и 8-польных севооборотов с одним полем риса (12,5,14,3 и 16,7 %) нельзя, т.к. за прогнозный период (50 лет) солесодер-жаяие остается больше 0,01 % по хлору. Расчет остальных вариантов показывает, что во время первой ротации солесодержание почвы становится допустимым при процентном содержании риса в севообороте более 50 % (рис. 5).

Рис. 5. Динамика солевого режима почв (содержания хлора) рисового севооборота при различном насыщении рисом: 7-12,5 %; 2 - 20 %; 5.-25 %; 50% . .

Насыщение рисом, %

Рис. б. Суммарный эколого-экономический эффект для рисового севооборота при различно! насыщении рисом:

Все эколого-экономические расчеты выполнены по аналогии с ПТК-1 с учетом зависимости урожая люцерны от засоления и урожая риса от продолжительности возделывания его на одном поле. Оптимальным является насыщение севооборота рисом 45.50 % (рис. 6). Уменьшение, а особенно увеличение насыщения севооборота рисом приводит к резкому увеличению экологических потерь и снижению эколого-экономической эффективности.

1ТПС-3 (ПРИМОРСКИЕ ЛИМАНЫ) Рассмотренные выше мероприятия по ПТК-1 я ПТК-2 позволяют говорить о том, что основные характеристики ПТК-3 (минерализация, температура, уровни воды и амплитуда их колебаний, объем речного и биогенного стока, зарастание приморских лиманов водной растительностью) будут изменяться в допустимых пределах. Это обеспечивается применением экологически обоснованных оросительных норм в ПТК-1, оптимальной структурой рисовых оросительных систем ПТК-2, ограничений на применение пестицидов и сбросом в приморские лиманы необходимого объема коллекторно-дреяажных вод с допустимой минерализацией.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ , - . "

1. Дельта р. Кубань характеризуется высоким биоклиматическим потенциалом и,, дает весомый вклад в производство сельскохозяйственной продукции Краснодарского края, Она располагает -945 тыс. га земельных угодий, из которых 556 тыс. га пашни, (15 %, пашни края). Орошается около 55 % пашни, из них 236 тыс. га - рисовые оросительные системы (89 % площади рисовых оросительных систем края), 61 тыс. га - овощные и кормовые севообороты.

Вместе с тем существующие системы земледелия, мелиорации и всего сельскохозяйственного производства не отвечают современным требованиям устойчивого развития, т.к. вызывают ухудшение почвенно-мелиоративных и экологических условий и нерациональное использование природных ресурсов. Согласно эколого-ландшафтному зонированию территория дельты по комплексной экологической оценке сегодня является кризисной от слабой до сильной степени с прогнозным ухудшением экологической обстановки и с повышенной вероятностью подтопления.

В связи с этим решение вопросов улучшения экологической обстановки и повышения эффективности сельскохозяйственного производства является важной народнохозяйственной проблемой.

Выполненный анализ позволяет сформулировать основные проблемы, решение которых необходимо для нормализации состояния природной среды дельтовой геосистемы. Это, прежде всего предупреждение дальнейшей сработки запасов почвенного гумуса, увеличение биоразнообразия и общих запасов биомассы. Осуществление этого возможно при условии широкого внедрения адаптивно-ландшафтных систем земледелия, применении комплексных мелиораций и оптимизации мелиоративных режимов почв.

2. Дельта р. Кубань является переходной зоной от суши к морю, содержит зональные и азональные элементы и очень чувствительна к любым изменениям внешних факторов. Основной особенностью дельты р. Кубань, отличающей ее от всех других дельт крупных рек, является то, что она служит зоной разгрузки потока напорных минерализованных подземных вод, обусловленного непосредственной близостью Главного Кавказского хребта.

3. Ухудшение экологических и почвенно-мелиоративных условий территории связано для зональных условий (первый природно-территориальный комплекс - ПТК-1) - в основном с ристем^<1и,земдедел(ия и мелиораций, существенно ухудшивших баланс органического вещества, элементов минерального питания и снизивших плодородие почвы.

Основной проблемой для ПТК-1 является сработка запасов почвенного гумуса и соответственно ухудшение основных свойств и плодородия почв т.е. изменения природной среды ПТК-1 обусловлены

Основной причиной ухудшения экологической и почвенно-мелиоративной обстановки ГГОС-2 (азональные условия) является обвалование земель, исключившее ежегодное затопление, т.е. их промывку. При этом изменились основные свойства ПТК-2, связанные с ее азо-нальностыо. Рисосеяние в этих условиях, в соответствии с принципом природных аналогий, - наиболее приемлемый способ использования земель, так как в значительной степени воспроизводит природный водный режим плавней.

Однако, решая проблему предупреждения засоления почв, рисосеяние не обеспечивает сохранение их плодородия, что связано, в основном, с величиной общих запасов биомассы в почве.

4. Основными задачами для ПТК-1 и ПТК-2 являются регулирование водного и солевого режимов почв, совершенствование структуры использования сельскохозяйственных угодий и системы земледелия, направленной на уменьшение интенсивности сработки общих запасов биомассы в почве. Это достигается применением системы мелиоративных, биологических и других мероприятий, снижающих негативное влияние природопользования.

5. Разработанная система критериев и моделей, описывающих состояние отдельных компонентов геосистемы, позволила проанализировать основные природные и антропогенные процессы, выявить закономерности и связи между отдельными ПТК и определить состав, объем и методику экспериментальных исследований

В качестве основного критерия оптимальности степени использования земель принят эколого-экономический эффект. Он представляет собой разницу между получаемым экономическим эффектом (в виде стоимости сельскохозяйственной продукции и предотвращенного экологического ущерба) и экологическим ущербом, наносимым природопользованием и включающим ущерб почве, биоте, животному миру, водным ресурсам в зависимости от применяемой системы комплексных мелиораций. В качестве нормативной базы для определения экологического ущерба использована методика определения предотвращенного экологического .ущерба, в качестве методологической - система моделей, приведенная в разделе 3. Это является обоснованием экологических критериев, ограничивающих хозяйственную деятельность в пределах дельтовой геосистемы р. Кубань.

6. Предлагаемые критерии и математические модели достаточно точны и могут применяться для обоснования методов и технологии комплексных мелиораций в пределах ПТК и дельты в целом.

7. Предлагаемая система комплексных мелиораций ПТК-1, предусматривающая возврат в почву кроме пожнивных остатков и корней еще и соломы, ботвы и стеблей, внесение навоза, свдераяьных и минеральных удобрений дозами, обеспечивающими компенсацию выноса элементов питания с урожаем и орошение части пашни нормами, соответствующими экологическим требованиям (Орт позволяет:

-в 3,5. 4 раза уменьшить ирригационное водопотребление (м^га общей площади); -в 4,2. .5,7 раза увеличить выход сельскохозяйственной продукции на 1 м3 воды; -снизить интенсивность сработки почвенного плодородия в 3. 10 раз; -увеличить эффективность использования природных ресурсов в 4.9 раз; -получить максимальный эколого-социальный эффект при орошении 40. .60 % пашни; -на имеющихся площадях пашни за счет увеличения доли орошения увеличить производство продукции в1,6. 1*8 раза.

8. Для решения проблемы улучшения почвенно-мелиоративной обстановки ПТК-2 использован принцип природных аналогий (развитие рисовых оросительных систем, имитирующих затопление земель). Ограниченность водных ресурсов предполагает сокращение средневзвешенной оросительной нормы, т.е. использование земель под рисовые оросительные системы при условии снижения доли ряса в севообороте для сокращения затрат вод. Это требует уточнения площадей рисосеяния, структуры рисового севооборота и разработки соответствующих мелиоративных мероприятий, обеспечивающих сохранение благоприятной мелиоративной обстановки.

Оптимальным является насыщение севооборота рисом 40. .50 %. Уменьшение, а особенно увеличение доли риса в севообороте приводит к резкому увеличению экологических потерь и снижению эколого-экономической эффективности.

9. По долгосрочному прогнозу и оценке возможных экологических последствий разработанная система комплексных мелиораций является первым этапом улучшения экологического и мелиоративного состояния. Она позволяет только снизить интенсивность сработки плодородия почв, но не обеспечивает сохранение и воспроизводство плодородия. Для решения проблемы сохранения плодородия почвы необходимо дополнительное внесение органического вещества дозой 15. .20 т/га в год.

10. Основные направления дальнейших исследований должны включать разработку системы комплексных мелиораций, обеспечивающих сохранение плодородия почв, стабилизацию сельскохозяйственного производства и в перспективе воспроизводство плодородия. В связи с этим основное внимание в дальнейших исследованиях необходимо сосредоточить на детальном изучении и моделировании почвенно-мелиоративных и экологических процессов.

11. Результаты выполненных исследований вошли в нормативные документы по проектированию и эксплуатации рисовых оросительных систем, техники и технологии полива, учебники и учебные пособия, использованы при проведении экспериментальных исследований. Опыт освоения орошаемых земель дельты р. Кубань подтвердил эффективность разработанных и предлагаемых рекомендаций.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гумбаров А.Д. Комплексные мелиорации в дельте реки Кубань (монография). - Краснодар: Советская Кубань, 2001. - 180с.

2. Капельница (в соавторстве). A.c. СССР № 1498435, 1987.

3. Импульсный дождевальный аппарат (в соавторстве). A.c. СССР Ms 4265337/15,1987.

4. Система земледелия на орошаемых землях Краснодарского края. Рекомендации (в соавторстве). Краснодар, 1992.

5. Гумбаров А.Д., Луговой A.C., Сербинов A.B. Оросительные рисовые системы. Учебник. - М.: Колос, 1994.

6. Скобельцын Ю.А., Гумбаров А.Д. Системы капельного орошения. Учебное пособие. -Краснодар, 1985.

7. Скобельцын Ю.А., Гумбаров А.Д., Дубинин С.А. Внутрипочвенное орошение сельскохозяйственных культур. Учебное пособие. - Краснодар, 1988.

8. Гумбаров АД, Гаранин В.Г., Аражельян JI.B. Проектирование оросительных систем. Учебное пособие. - Краснодар, 1993.

9. Амелин В.П., Владимиров С.А., Гумбаров А.Д. Агромелиоративные основы экологически чистой технологии возделывания риса. Учебное пособие. - Краснодар, 1995.

10. Амелин В.П., Гумбаров А.Д., Владимиров С.А. Проектные решения реконструкции и нового строительства оросительных систем для возделывания севооборотных культур с рисом на экологически чистой основе. Учебное пособие. - Краснодар, 1996.

11. Скобельцын Ю.А., Гумбаров А.Д., Скобельцын А.Ю. Конструкции систем микроорошения и их гидравлический расчет. Учебное пособие. - Краснодар, 1999.

42

12. Амелин В.П., Гумбаров А.Д. Определение места проведения эксплуатационной планировки в рисовом севообороте // Пути рационального использования рисовых оросительных систем. Труды НИМИ. - Новочеркасск, 1982.

13. Гумбаров А.Д., Игнатенко Ф.И. Продольные уклоны свободной поверхности и коэффициенты шероховатости русла Кубани на участке между Краснодарской и Федоровской плотинами// Совершенствование конструкций гидротехнических сооружений. Труды КСХИ. Вып. 250 (278). - Краснодар, 1985.

14. Гумбаров А.Д., Игнатенко Ф.И., Чебанов Е.Ф. Мероприятия по регулированию и защите обвалованного русла Кубани ниже Краснодарского гидроузла// Совершенствование конструкций гидротехнических сооружений. Труды КСХИ. Вып. 298 (326). -Краснодар, 1989.

15. Гумбаров АД., Игнатенко Ф.И., Чебанов Е.Ф. Принципиальная схема регулирования и охраны русла Кубани ниже Краснодарского гидроузла// Автоматизация и водомер-ность гидротехнических сооружений. Труды КСХИ. Вып. 311 (339). - Краснодар, 1990.