Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние щелевания и полимера-структурообразователя на ирригационную эрозию обыкновенного чернозема Низкой Донской равнины

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Маштаков, Дмитрий Анатольевич, Саратов

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.И. ВАВИЛОВА

На правах рукописи

МАШТАКОВ ДМИТРИИ АНАТОЛЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ЩЕЛЕВАНИЯ И ПОЛИМЕРА -СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЯ НА ИРРИГАЦИОННУЮ ЭРОЗИЮ ОБЫКНОВЕННОГО ЧЕРНОЗЕМА НИЗКОЙ ДОНСКОЙ РАВНИНЫ

Специальность 06. 01. 02. - сельскохозяйственная мелиорация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

сельскохозяйственных наук

Научные руководители

кандидат сельскохозяйственных наук, профессор

Дудорев М.А.

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Проездов II.Н.

г. САРАТОВ 1999

Содержание

Введение 4

1. Аналитический обзор литературы 8

2. Объекты и методика исследований 20

2.1 Объекты исследований 20

2.2 Методика исследований 27

3. Теоретические основы ирригационной эрозии 36

3.1 Генетическая классификация ирригационной эрозии при

поливе дождеванием 36

3.2 Капельная и ливневая поверхностная эрозия 39

3.3 Допустимая ( бесстоковая ) поливная норма 45

4. Формирование ирригационной эрозии и ее влияние на свойства почвы 52

4.1 Капельная эрозия 52

4.2 Гидравлические характеристики микроиогоков воды

при поливе дождеванием 64

4.3 Противоэрозионная стойкость почвы 66

4.4 Влияние ирригационной эрозии на водно - физические

свойства обыкновенных черноземов 79

5. Меры защиты почв от ирригационной эрозии 84

5.1 Режим орошения - основа защиты почв от ирригационной эрозии 84

5.2 Мелиоративные приемы защиты почв от ирригационной эрозии 95

5.3 Агрофизические приемы повышения противоэрозионной стойкости почв 115

5.3.1. Химические свойства полимера - структурообразователя и характер его взаимодействия с почвенными частицами 115

5.3.2. Влияние химического структурообразователя на ирригационную эрозию 118

6. Экологические последствия применения

химического структурообразователя 141

6.1. Влияние химического структурообразователя на микробиологическую активность почвы 141

6.2. Показатели экологического и безопасного

орошения дождеванием 145

7. Влияние приемов защиты от ирригационной эрозии

на урожайность сельскохозяйственных культур севооборота 148

8. Экономическая эффективность применения

противоэрозионных агромелиоративных приемов 154

Выводы 160

Предложения производству 162

Список литерачуры 164

Приложения 184

В В Е Д Е Н И Е

В комплексе мер по обеспечению устойчивого производства сельскохозяйственной продукции значительное место отводится орошению.

В условиях Саратовского Правобережья плодородные черноземные почвы и продолжительный вегетационный период обеспечивают получение высоких урожаев. Однако в большей степени величина урожаев и его качество зависят от количества осадков и своевременностью их выпадения.

Сельское хозяйство в Саратовской области ведется в условиях неустойчивой и недостаточной естественной влагообеспеченности и поэтому ведущая роль в повышении продуктивности пашни принадлежит орошению.

Многолетними исследованиями доказано, что орошение в условиях Саратовской области обеспечивает повышение урожайности зерновых культур в 2-2,5 раза, кормовых культур в 4-6 раз.

Вместе с этими положительными сторонами орошения есть и отрицательные.

Повышение рекреационных нагрузок на почву, неумеренное использование поливной воды, применение дождевальной техники с неисправными аппаратами привело к резкому ухудшению мелиоративного состояния орошаемых земель.

По данным гидрогеолого-мелиоративного обследования орошаемых земель Саратовской области, проведенным в 1996 году было установлено, что 12% орошаемых земель находятся в неудовлетворительном мелиоративном состоянии, из них по уровню грунтовых вод - 1,8%, засолению - 2,5%, солон-цеватости - 6,1%, по уровню грунтовых вод, засолению и солонцеватосш -1,6% [135,195].

Вместе с этими отрицательными последствиями орошения проявляются еще и такие нежелательные процессы как поверхностный сток и ирригационная эрозия почвы.

Уровень экологической безопасности дождевания целиком и полностью определяется качественными показателями. Проблема повышения качества полива - одна из главнейших в дождевании. Идеальным с этой точки зрения является полив с интенсивностью дождя, соответствующей скорости впитывания воды почвой. Сегодня ни одна из используемых дождевальных машин не удовлетворяет этому требованию.

В результате этого бесстоковые поливные нормы на обыкновенных черноземах Саратовского Правобережья составляет 200-300 м3/га. На поверхностный сток непроизводительно расходуется 10-20% оросительной воды.

Возникающая ирригационная эрозия при поливах наносит большой вред почвенному плодородию. В результате нерациональных поливов смывается до 3 и более т/га почвы в год, выносится за пределы корнеобитаемого слоя почвы большое количество гумуса, азота, фосфора и калия. Нарушается гумусный баланс в почве, рациональное соотношение азота, фосфора и калия.

Решение проблемы предупреждения ирригационной эрозии означает значительное улучшение экологической обстановки на орошаемых землях, сохранение почвенного плодородия, более экономное использование оросительной воды, увеличение продукции сельского хозяйства с каждого поливного гектара.

В связи с вышеизложенным целью данной работы явилось всестороннее исследование и разработка мер защиты почв от процессов ирригационной эрозии на обыкновенных черноземах Низкой Донской равнины Саратовского правобережья.

На основании проведенных исследований и полученных экспериментальных данных на защиту выносятся следующие положения:

1) изучение механизма и закономерностей проявления ирригационной эрозии почв при поливах дождеванием;

2) исследование противоэрозионной устойчивости почв и разработка мер по повышению устойчивости почв к разрушающему воздействию дожде-

вых капель и микропотоков воды при поливах дождеванием ;

3) применение почвозащитного кормового севооборота ;

4) исследование влияния ирригационной эрозии на водно - физические свойства почв;

5) воздействие мелиоративных приемов ( щелевания, горизонтального и вертикального мульчирования, химического структурообразователя ) на величину ирригационной эрозии при поливах дождеванием;

6) влияние мелиоративных приемов на урожайность сельскохозяйсг-венных культур в кормовом почвозащитном севообороте ;

7) экономическая и энергетическая эффективность предложенных противоэрозионных приемов.

Практическая значимость работы заключается в том, что доказана опасность ирригационной эрозии для обыкновенных черноземов Саратовского Правобережья, разработаны рекомендации по борьбе с ирригационной эрозией почв, составлен проект противоэрозионных мероприятий в колхозе им. Ленина, Балашовского района Саратовской области.

Исследования по изучению ирригационной эрозии и влияния на нее мелиоративных приемов проведены в колхозе им. Ленина Балашовского района Саратовской области, расположенного в восточной части Донской равнины [129].

Научная новизна исследований заключается в следующем :

1). на орошаемых черноземах Саратовского Правобережья детально исследовались масштабы ирригационной эрозии, изучались свойства подверженных эрозии почв, целенаправленно исследовались факторы эрозии и эффективность противоэрозионных мероприятий;

2). мелиоративные приемы защиты почв от ирригационной эрозии исследовались в почвозащитном кормовом севообороте ;

3). впервые исследовалось влияние мульчпокрова и химического структурообразователя на структуру почв, ирригационную эрозию и урожайность

сельскохозяйственных культур ;

4). по результатам исследований составлена карта потенциальной опасности ирригационной эрозии Балашовского района и хозяйства.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Оросительные мелиорации в условиях дефицита влаги степной зоны позволяют получать высокие устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур.

Но с развитием орошения появились другие проблемы - засоление почвы, ирригационная эрозия, вынос питательных веществ за пределы корнеоби-таемого слоя почвы и др.

А.И. Воейков первым в России в конце 19 века описал негативное состояние орошаемых земель в Туркестане [ 32 ].

А.Н. Костяков в 1919 г. в своей монографии, посвященной разработке теории мелиорации, указал, что скорость течения воды в бороздах, полосах и каналах должна назначаться с учетом стойкости почв к размыву [81].

В 30-х годах 20 века появились первые научные опыты по изучению водной эрозии почв, в основном при поверхностном способе полива.

A.M. Панков, описывая процессы эрозии в Айдаровском сельсовете Ро-венского района Воронежской области, указывал, что примерно 96,3% почв здесь в той или иной степени подтверждены водной эрозии [123,124 ].

B.Р. Вильяме следующим образом определяет влияние эрозии на сельское хозяйство и плодородие почв: «Каждый дождь и каждое весеннее таяние снега уменьшает площадь удобной земли и сносят все возрастающее количество пахотного горизонта почв, в котором элементы пищи растений, а следовательно, и человека накоплялись тысячелетиями. Сносится в море реальное богатство народа»[30].

Вопросом зависимости урожайности сельскохозяйственных культур от водной эрозии в различных почвенных зонах занимались многие исследователи. По их данным смытые почвы различных почвенных типов характеризуются ухудшенными физическими и химическими свойствами, что влечет за собой снижение урожаев на них всех сельскохозяйственных культур [ 80,120 ].

Тогда же, в 30-е годы начались исследования по изучению природы во-допрочности почвенных агрегатов.

Впервые характер водопрочности почвенных агрегатов описал еще в конце 20-х годов Г.И. Павлов [ 120 ]. Теорию водопрочности почвенных агрегатов разработал П.В. Вершинин [ 26 ].

В Агрофизическом институте АН СССР в 1932 году были начаты работы по искусственному оструктуриванию почвы [ 27,28 ].

Своеобразие постановки исследований состояло в том, что с самого начала для уяснения механизма оструктурирования, была выдвинута задача создания приемов повторения природных процессов, ведущих к образованию структуры.

Исследования П.В. Вершинина, Н.Я. Солечника и Ф.Е. Колясева по применению торфяного клея в качестве структурообразователя показали его положительное влияние на физико-химические свойства почвы и урожайность сельскохозяйственных культур [27,28,76, 155].

Исследования 30-х годов активно проводились и в области изучения искусственного дождевания. Многими исследователями изучалось эрозионное

U 1

действие дождя, противоэрозионную устойчивость различных почв и факторы, влияющие на развитие эрозионных процессов при орошении [29,32,48,50,64,75,123,124 ].

Большой вклад в развитие знаний об эрозионных процессах внес С. С. Соболев. Его исследования по изучению водной эрозии на Европейской части России стали фундаментом всех последующих исследований в этой области.

Приводимые Соболевым данные, свидетельствовали о большом количестве азота, фосфора и калия, которые в доступной для растений форме выносились ежегодно с почвой в результате водной эрозии [ 153,154 ].

Многие исследователи указывали влияние растительности на предупреждение или уменьшение поверхностного стока при ливнях или искусственном довдвании [ 12,13, 35,58,59,75,130,154 ].

По данным Г.А. Пресняковой, мульчирование поверхности почвы соломой на дерново-среднеподзолистых суглинистых почвах в количестве 100 г на 0,25 м2 позволило уменьшить сток в 2-4 раза, смыв в 10-12 раз [130 ].

В 50-х годах началось изучение характера образования поверхностного стока при несоответствии величины интенсивности искусственного дождевания и водопоглотительной способности почвы. Вырабатывались и рекомендовались первые мероприятия по предупреждению эрозии гючвы при поливах дождеванием [ 16,90,131 ].

В конце 50-х, начале 60-х годов проводились обширные исследования по изучению природы водопрочности почвенных агрегатов и характер их взаимодействия с водой [ 26,47,47,138 ].

И.Б. Ревут отмечал, что разрушение крупных агрегатов на более мелкие почвенные частицы происходит в результате внезапного и полного погружения в воду за счет выходящего воздуха [ 137,138,139 ].

Он выделил 2 типа водопрочных агрегатов, условно водопрочные, получающие водопрочность в результате капиллярного насыщения водой и безусловно водопрочные - устойчивые в воде при любых условиях.

Важное значение имеет представление о так называемом расклинивающем действии воды, при котором молекулы воды, адсорбируясь на поверхности почвенных частиц вызывают удаление их друг от друга. [ 137,138,139 ].

Многие исследователи применяли полимеры-струкгурообразователи для улучшения почвенной структуры и повышения водопрочности почвенных агрегатов [ 27,31.86,88,94,121,122,138,139 ].

II.А. Качинский установил важную закономерность, состоящую в том, что водопрочность природных агрегатов, пропитанных полимером, значительно выше, чем у искусственных агрегатов, созданных при помощи того же полимера из распыленной почвы [ 69 ].

И.А. Романов показал, что в полевых условиях при внесении в дерново -слабоподзолистую глинистую почву 0,045 % к весу почвы полиакриламида,

и

количество водопрочных агрегатов более 0,25 мм возрастает на 25 % [175].

Многие исследователи посвятили свои работы вопросу изучения влияния размеров и скорости падения капель дождя на разрушение почвенной структуры[ 1,7,9,35,41,46,87,88,111,114, ] 15,164,173.188 ].

Изучая закономерности разрушения частиц почв и грунтов в водном потоке, В.Б. Гуссак разработал метод, который позволял оценить степень интенсивности разрушения почвы в движущемся водном потоке [ 49 ].

С.И. Сильвестров пришел в заключению, что обобщающим критерием устойчивости к смыву для почв центральной лесостепной зоны может служить степень их в ьицелочен ноет и. Он дал следующий ряд почвенных типов в порядке убывания их эрозионной устойчивости: мощные черноземы, обыкновенные черноземы , выщелоченные черноземы , серые лесные почвы , подзолистые почвы [ 150 ].

Г.И. Швебс установил, что дождевые капли обладают значительной кинетической энергией и способны не только разрушать, но и уплотнять верхний слой почвы, и назвал это явление эрозией почвенной структуры [188,189,190].

Начальным процессом водной эрозии является эрозия разбрызгивания, процесс, при котором происходит перемещение частиц почвы брызгами капель по воздуху Многие авторы исследовали и описывали этот процесс в своих работах [21.46,88,111,188,190 |.

Г.И. Швебс показал, что процесс разбрызгивания начинается тогда, когда на поверхности почвы образуется пленка воды. Это явление он объяснял тем, что сухая почва мгновенно поглощает часть капли, при этом смягчается удар капли о поверхность почвы и разрушается пленка натяжения воды и при этом разбрызгивания не происходит [ 188,190 ].

Дождевые капли способны не только отделять почвенные частицы от агрегатов, но и перемещать их вниз и вверх по склону путем разбрызгивания. А.И. Шведасом отмечено, что дождевыми каплями относится к подножию

склона 70 % разбрызгиваемой почвы и 30 % поднимается вверх по склону [191].

Однако доля смыва почвы, вызванное перемещением частиц почвы каплями дождя, не превышает 2-3% от общего твердого стока, поэтому многие авторы утверждаю], что оценивать интенсивность эрозионных процессов можно лишь по величине струйчатых размывов водным потоком [ 86,88,112 ].

Вопросами образования поверхностного стока при поливах дождеванием занимались многие авторы [3,9,34.41,88,92,96,110,113,134,167,173,184.188].

В процессе дождевания, впитывающая способность почвы не является постоянной во время полива. В начальные периоды поступления осадков интенсивность впитывания равна интенсивности дождя. Затем, в результате насыщения почвы влагой, разрушения почвенной структуры, набухания и уплотнения почвы, интенсивность впитывания уменьшается и приближается к установившемуся значению. Поэтому следует проводить полив с постоянно уменьшающейся интенсивностью дождя .

М.С. Кузнецов, изучая механизм разрушения почвенной структуры, установил, что разрушение почвенных агрегатов более 0,25 мм каплями дождя, приводит к уплотнению поверхностного слоя почвы и образованию почвенной корки [ 85,86,87,88 ].

Многие авторы считают, что следы от прохождения по полю сельскохозяйственной техники являются источником формирования поверхностного стока. Наблюдениями установлено, что уплотнение почвы в следах от машин и тракторов значительно выше, чем на поверхности почвы и образование стока здесь происходит уже после подачи 50-100 м3/га воды [ 42,43,86,88,188 ].

Черноземы при орошении теряют структуру, уплотняются, что способствует ухудшению водно - физических свойств [ 4,7,20,41,51,66,67,72,83,146, 166].

В то же время рядом авторов показано, что в условиях высокой культуры земледелия, при соблюдении оптимальных режимов орошения, почвенная

структура разрушается значительно медленнее [ 21,69,138,156,160 ].

Многие авторы в своих работах отмечают резкое изменение водопроч-ности почвенных агрегатов при орошении [ 26,87,137,138,1