Влияние водопроницаемости иллювиального горизонта на водный режим дренируемых дерново-подзолистых почв

Корнеев, Илья Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Влияние водопроницаемости иллювиального горизонта на водный режим дренируемых дерново-подзолистых почв
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Влияние водопроницаемости иллювиального горизонта на водный режим дренируемых дерново-подзолистых почв"

ФГОУ впо

Московский государственный университет природообустройства

На правах рукописи

КОРНЕЕВ ИЛЬЯ ВИКТОРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ ИЛЛЮВИАЛЬНОГО ГОРИЗОНТА НА ВОДНЫЙ РЕЖИМ ДРЕНИРУЕМЫХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ

Специальность 06.01.02 - мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание степени кандидата технических наук

МОСКВА 2007

003057041

Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель Московского государственного университета природообустройства

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Голованов Александр Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Манукьян Давид Ашикович

кандидат биологических наук Шваров Александр Петрович

Ведущая организация: ?

Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН

Защита состоится 15 мая 2007 г. в 15 часов в ауд. 201/1 на заседании совета Д.220.045.01 при Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, тел./факс: 8(495)976-10-46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства

Автореферат разослан /3 апреля 2007 г.

Ученый секретарь совета

к.т.н., профессор

Сурикова Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Нечерноземная зона России, занимающая площадь более 250 млн. га, является важным в сельскохозяйственном отношении регионом, в котором к 1980 г. мелиоративный фонд составлял 10,8 млн. га. Подъем и интенсификация сельского хозяйства в этом регионе требуют применения комплексных мелиорации, что вызвано особенностями умеренно континентального климата (в котором возможны как влажные, так и засушливые годы), а также широким распространением тяжелых переувлажненных почв.

Проф. А.И. Голованов применительно к землям сельскохозяйственного назначения сформулировал цель мелиорации, которая заключается в расширенном воспроизводстве плодородия почвы, получении оптимального урожая определенных сельскохозяйственных культур при экономном расходовании всех ресурсов, недопущении или компенсации ущерба природным системам и другим землепользователям (Основы природообустройства, 2001). Однако цели мелиорации земель могут быть достигнуты только при выполнении набора требований к управляемым факторам почвообразования, роста растений и воздействия на окружающую среду, которые должна обеспечивать система мелиоративных мероприятий. Этот набор требований А.И. Голованов и И.П. Айдаров назвали мелиоративным режимом. Мелиоративный режим земель в гумидной зоне должен предотвращать вторичное заболачивание территорий, усиливать аэрацию почв для активизации корневой деятельности и развития в почвах окислительных процессов, ослаблять промывной режим.

При сочетании подзолистого, глеевого и дернового процессов в гумидной зоне формируются недостаточно плодородные в естественном состоянии, но отзывчивые на мелиоративные воздействия почвы. Одна из особенностей таких почв - наличие сложно устроенного тяжелого суглинистого иллювиального горизонта, который часто ббразуется на мореных отложениях. Его пронизывают трещины, корневые ходы и червороины, обуславливающие особенности влагопереноса, которые влияют на почвообразование, водный режим и плодородие таких почв. Иллювиальный горизонт выполняет функцию локального водоупора, активно управляющего потоками влаги в почве. Низкая водопроницаемость вызывает застой влаги в корнеобитаемом слое, что меняет направленность почвообразовательного процесса и может иметь как позитивное (снижает промываемость и потери гумуса), так и негативное значение для роста и развития сельскохозяйственных растений (вызывает образование верховодки и подтопление корневой системы).

Цель работы: оценить влияние водопроницаемости сложно устроенного иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв на водный режим дренируемых земель и дать рекомендации по управлению им.

Задачи исследований:

1. Выявить особенности строения трещиноватого макропористого иллювиального горизонта и его водопроницаемости.

2. Изучить особенности формирования водопроницаемости дерново-подзолистых почв на моренных отложениях Московской области и ее влияние на водный режим земель.

3. Разработать и оценить способы определения водопроницаемости почв.

4. Изучить особенности восстановления водопроницаемости иллювиального горизонта, поврежденного при антропогенной деятельности.

5. Оценить возможность образования верховодки на иллювиальном горизонте.

6. Дать рекомендации по оптимизации водопроницаемости иллювиального горизонта для управления водным режимом дренируемых земель.

Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель Московского государственного университета природообустройства, эксперименты выполнены автором на стационаре кафедры «Дубна» (дер. Селково, Сергиево-Посадский район Московской области) в 2003 - 2006 годах. Научная новизна

1. Для иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв выявлено два вида водопроницаемости и предложено определять два различных коэффициента фильтрации: матричный при безнапорном впитывании и эффективный при напорном.

2. Предложен способ определения водопроницаемости напорным впитыванием при переменном уровне воды из инфильтрометра с одиночным кольцом.

3. Впервые предложен экспресс-метод определения дождеванием водопроницаемости моренного иллювиального горизонта при безнапорном впитывании.

4. Разработана и апробирована модель влагопереноса для описания экспериментов по определению водопроницаемости почв.

5. Расширены представления о пространственной вариации водопроницаемости иллювиальных горизонтов дерново-подзолистых почв на морене.

6. Получены данные о восстановлении нарушенного иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв.

Практическая значимость работы

1. Предложена комплексная методика оценки водопроницаемости дерново-подзолистых почв при напорном и безнапорном впитывании, позволяющая выявить величины эффективного и матричного коэффициентов фильтрации.

2. Предложена процедура расчета верховодки при обильных дождях.

3. Даны рекомендации по управлению водопроницаемостью иллювиального горизонта для оптимизации водного режима земель.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены автором на Юбилейной конференции «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям», посвященной 75-тилетию Почвенного институ-

та им. В.В. Докучаева (Москва, 2002), Всероссийской конференции молодых ученых аграрных вузов «Инновации молодых ученых - сельскому хозяйству» (Москва, 2006), Международных конференциях МГУП «Природообустройст-во и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России» в 2005 и «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» 2006 годах, 2-й и 3-й Всероссийских конференциях молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» (Коломна, ФГНУ ВНИИ «Радуга», 2005 и 2006), семинаре Департамента обустройства земель и водных объектов Сельскохозяйственного университета штата Пенджаб (Индия) в 2007 году. По результатам исследований подготовлено и опубликовано 5 статей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения; изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 24 рисунка. Список использованной литературы включает 109 наименований, в том числе 12 иностранной.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой мелиорации и рекультивации земель МГУП, Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., проф. А.И. Голованову; начальнику стационара «Дубна» Ю.М. Зыкову и его сотрудникам за помощь в организации экспериментов; преподавателям и аспирантам кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП за обсуждение работы и советы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Природные условия северо-запада Московской области

На основе обобщения опубликованных материалов анализируется геологическое строение области, климат региона, дается ландшафтная характеристика района исследований, описание водного режима дерново-подзолистых почв элювиальных фаций, обсуждаются сведения о водопроницаемости этих почв и их иллювиальных горизонтов, приводятся данные о почвах на участке исследований.

Район проведения экспериментов расположен к северо-западу от деревни Селково на территории с отметкой 200 м, приурочен к Дубнинскому ландшафту 6(13) (Ландшафты Московской области..., 1997) с отметками 200...250 м, представленному местностью (34) моренных равнин. Доминантные урочища - моренные холмы с плоскими вершинами и покатыми склонами, высотой 10...20 м. С поверхности сложены покровными суглинками мощностью 1,5...2,0 м, переходящими в нижней части в водноледниковые суглинки мощностью 1,3...2,0 м, которые подстилаются красно-бурой мореной. Почвы дерново-средне- и дерново-сильноподзолистые поверхностно-слабоглееватые. На старопахотных участках отмечается слабая окультурен-ность почв.

Профиль, который формируется при сочетании и чередовании подзолистого и дернового процесса в условиях промывного и застойно-промывного

водного режима, состоит из двух четко дифференцированных по гранулометрическому составу, плотности, пористости зон. Первая зона включает в себя дерновый А0 и хорошо обособленный гумусный А,, а также подзолистый элювиальный А2 (вымытый) горизонты, они супесчаные, обладают высокой водопроницаемостью; вторая залегает ниже - это переходный языковатый горизонт Аг- В, пронизанный затеками материала из верхних горизонтов в трещиноватый суглинок, который приобрел структуру в результате растрескивания моренных отложений Московского оледенения при высыхании и промораживании в гляциальный и постгляциальный периоды; под ним суглинистый вмытый иллювиальный горизонт В, самый плотный в профиле, с более низкой пористостью и водопроницаемостью, который формируется благодаря механическому поглощению, коагуляции и окислению вымытых из верхних горизонтов продуктов распада минеральной части почвы и органики. Иллювиальный горизонт пронизан трещинами, червороинами, корневыми ходами, создающими из слабопроницаемого слоя активную среду, которая снижает промываемость верхних горизонтов, задерживая в них влагу, но обильные инфильтрационные потоки перераспределяет в почвенном профиле за счет участия макропор во влагопереносе. В подзолистых оглеенных почвах возможно глубокое промачивание, причем не только весной или во влажные годы, но и в теплый период сухих лет, после дождей, вызывающих поверхностный сток. Это явление наблюдается и в неоглеенных подзолистых почвах, но в менее выраженной форме. При этом глубина миграции влаги в сухие периоды определяется длиной трещин, распространением корней древесной растительности и характером осадков. На участке исследований определены следующие свойства иллювиального горизонта: плотность 1,82... 1,86 г/см3, пористость 0,30...0,33 м3/м3, максимальная гигроскопичность 0,06...0,07 м3/м3, максимальная высота капиллярного поднятия оценена по механическому составу 2,5 м.

Водный режим рассматриваемых почв достаточно сложен, есть как периоды иссушения, так и локальное периодическое переувлажнение, особенно заметное на глееватых почвах, вплоть до образования верховодки в дождливые периоды. Выраженное неоднородное макропористое строение иллювиального горизонта требуется учитывать при описании и оптимизации водного режима таких земель, а также при расчетах образования верховодки.

Управление водным режимом таких земель должно сочетать орошение на возвышенностях и дренаж понижений и оснований склонов для поддержания оптимальных условий роста и развития сельскохозяйственных растений, а также методы управления водопроницаемостью иллювиального горизонта для предотвращения периодического переувлажнения, которое может приводить к оглеению и прогрессирующему ухудшению водного режима земель.

Глава 2. Водопроницаемость иллювиального горизонта В дерново-

подзолистых почв

В этой главе обсуждаются подходы к определению водопроницаемости почв. Во многих современных моделях влагопереноса в качестве характеристики водопроницаемости используется коэффициент фильтрации. Величины коэффициента фильтрации почв Нечерноземной зоны определяются генезисом и гранулометрическим составом почвообразующих пород, типовой генетической принадлежностью почв, степенью их заболоченности.

Сложное строение иллювиального горизонта и наличие макропор обуславливают различные режимы влагопереноса в зависимости от задействованных частей порового пространства. Предлагается понятие двух характеристик водопроницаемости иллювиального горизонта.

При безнапорном впитывании инфильтрация и влагоперенос обусловлены проводимостью микропористых блоков без участия макропор (трещин, червороин. корневых ходов), характеристику водопроницаемости при безнапорном впитывании предложено называть матричным коэффициентом фильтрации и определять при обработке экспериментов по дождеванию горизонта В. При напорном впитывании во влагопереносе участвуют как макропоры, так и микропористые блоки, такую характеристику водопроницаемости предложено называть эффективным коэффициентом фильтрации и определять его при обработке экспериментов по напорному впитыванию в горизонт.

Эксперименты по определению гидрофизических свойств почв и коэффициента фильтрации в том числе желательно проводить in situ, что наиболее адекватно отражает условия протекания влагопереноса. Важно, чтобы эксперимент был ориентирован на модель, которую применяют для описания влагопереноса. Это позволит воспроизводить эксперимент численным решением нелинейного дифференциального уравнения влагопереноса и подбирать параметры при начальных и граничных условиях, соответствующих эксперименту («обратная задача»). Для практических целей желательно использовать расчетные формулы.

Для безнапорного впитывания использовано малоинтенсивное дождевание, при котором фиксировали время начала поверхностного стока, поскольку этот момент соответствует исчерпанию впитывающей способности микропористых блоков. Время начала поверхностного стока, считая от момента начала дождевания, можно определять по формуле (1) А.И. Голованова, полученной решением линеаризированного уравнения влагопереноса,

, =__при qlK{ar)>\, где а = K(ar)/C{cor), (1)

4a(\-q/K((or))2

где tCT — время начала стока, сут; аг - расчетная объемная влажность, £У, = <у0 + Р -(т- а>0), Р =0,55... 0,60; у/0 - капиллярный напор, соответствующий исходной влажности со0, определяемый по формуле

ц/о = ~/jhk In

г \

(2)

где m - пористость, м3/м3; сом - максимальная гигроскопичность, мэ/м3; hk -

максимальная высота капиллярного поднятия, м; // - коэффициент, зависящие от механического состава и структуры почвы, для суглинистых почв принято р = \, коэффициент влагоемкости определяют соответственно по формуле (3)

= = (3)

дН дц/ ithk

искомый коэффициент влагопроводности, а из него и коэффициент фильтрации определяют по формуле

кМ=к^--

I т-аи

где для случая безнапорного впитывания при дождевании Кф - матричный

коэффициент фильтрации, м/сут.

По данным дождеваний получена средняя величина матричного коэффициента фильтрации 0,09 м/сут при коэффициенте вариации 0,60, что не противоречит имеющимся данным о водопроницаемости иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв на покровных суглинках моренного происхождения.

Для напорного впитывания использовали усовершенствованный способ налива в инфильтрометр с одиночным кольцом. Существующие способы, в том числе использования инфильтрометра с двумя кольцами и постоянным уровнем воды (прибор Н.С. Нестерова), не позволяют достоверно определять коэффициент фильтрации из-за недоучета влияния слоя воды в кольце, бокового растекания влаги в почве, влияния врезки кольца на скорость впитывания. Кроме того, для поддержания уровня в кольцах требуются сосуды Ма-риотта, эксперимент требует большого количества воды и времени для достижения установившейся скорости впитывания из центрального кольца.

Предложено для упрощения эксперимента делать экспресс-налив при переменном свободно снижающемся уровне воды в кольце. Перед наливом определяем исходную влажность почвы рядом с кольцом (диаметром 20...30 см и высотой 20 см), которое врезаем в почву на глубину 2...4 см. Начальный слой воды 150... 170 мм, в ходе опыта строим интегральную кривую зависимости слоя впитавшейся воды от времени, снимая отсчеты понижающегося уровня в кольце; опыт заканчиваем при впитывании всей воды из кольца. После эксперимента берем образцы из кольца для определения плотности, пористости и максимальной гигроскопичности почвы.

Для описания зависимости слоя впитывания от времени использована формула проф. А.И. Голованова, которая получена на основе решения линеа-

ризированного уравнения влагопереноса в сферических координатах (Лыков, 1952). Она учитывает боковое растекание впитавшейся воды под кольцом; после дополнительных уточнений позволяет учитывать размер кольца и врезку его в почву, а также переменный уровень воды в кольце при проведении эксперимента. Зависимость слоя впитавшейся воды (м) от времени эксперимента (сут) предложено описывать формулой

К„ = к.

1 + ^.-^+2,4/' г, л/2

где Квр - коэффициент врезки, зависит от диаметра кольца и глубины врезки, с достаточной точностью можно принять коэффициент врезки 0,88...0,93 для распространенных глубин врезки 2...4 см и диаметров кольца 18...30 см; И°с

- начальный слой воды в кольце, м; А = у/К(еог)С(а)г)/я; сог - расчетная

объемная влажность, = су0 + /? • (/я - ю0)> /? =0,66...0,7; гк - радиус кольца

инфильтрометра, м. Аппроксимируя экспериментальную кривую слоя впитывания формулой (5), определяем влагопроводность, а затем и эффективный коэффициент фильтрации из (4).

Сравнение с точным численным моделированием нелинейного процесса впитывания из кольца с описанными выше размерами при различных сочетаниях исходной влажности, коэффициента фильтрации и максимальной высоты капиллярного поднятия показывают достаточную точность формулы (5).

По данной методике автором был выполнен 31 налив в иллювиальный горизонт, рассчитанные по ним величины эффективного коэффициента фильтрации Кэ варьируют в широком диапазоне (минимальное значение 0,03 м/сут отличается от максимального 2,91 м/сут на два порядка). Средняя величина составляет 0,89 м/сут при коэффициенте вариации 0,90. При наливах характерным размером зоны опробования можно считать величину порядка 20 см. Область инфильтрации включает в себя систему макропор и микропористые блоки, зона опробования значительно больше характерных размеров микропористых блоков и макропор. Так, характерные размеры трещин, разделяющих блоки, порядка десятых долей миллиметра, размеры микропористых блоков 5 - 15 мм (при разламывании руками воздушно-сухих образцов почвы), характерные диаметры ходов дождевых червей 3-5 мм, аналогичные или чуть меньшие размеры имеют каналы от выгнивших корней растений.

Анализ эмпирической кривой обеспеченности величин эффективного коэффициента фильтрации показал, что при обеспеченности 80% и более этот ряд схож с величинами матричного коэффициента фильтрации. Причиной этого может быть случайная вариация макропористости горизонта в масштабах поля с характерными размерами фильтрационных неоднородностей 20 см (в которых макропоры почти или полностью отсутствуют) и суммарной пло-

щадью неоднородностей порядка 20% площади поля с генетически однородным иллювиальным моренным горизонтом В.

Таким образом, водопроницаемость иллювиального горизонта В дерново-подзолистой почвы на рассмотренном участке возвышенной фации при напорном впитывании (характеризуемая эффективным коэффициентом фильтрации К-з), на порядок больше водопроницаемости при безнапорном впитывании (матричного коэффициента фильтрации Км).

При проведении наливов фиксировалось количество открытых в кольце червороин. Никаких специальных требований к установке кольца инфильт-рометра не выдвигалось, поэтому можно считать, что число ходов червей в кольце при проведении опыта есть величина случайная, зависящая от среднего количества червей в почве, их активности в горизонте В, а также случайной неоднородности размещения ходов в толще почвы.

Между количеством ходов дождевых червей и эффективным коэффициентом фильтрации выявлена связь (рис. 1). Линия тренда (найденная в виде экспоненциальной зависимости методом наименьшей суммы квадратов отклонений) характеризует облако точек с достаточно высоким коэффициентом корреляции R=0,794.

з.о

i 2.5

Ь 2.0 1

|l.

S 1.0

J) I (0

105 I

0.0 1

/ / о

R , / о

о О К. = о.сг R = С '4е0С2 .794 чх:

э о о п ^ •о

о о

75 100 125 150 175 число ходоа дояодееых червей, шт/м2

200 225 250

Рисунок 1. Зависимость эффективного коэффициента фильтрации от количества открытых на днище шурфа червороин.

Интересно заметить, что, согласно полученной зависимости, при отсутствии ходов в кольце эффективный коэффициент фильтрации составляет 0,074 м/сут, что вполне похоже на ранее найденное среднее значение матричного коэффициента фильтрации 0,09 м/сут. При количестве ходов 150...200 шт/м2 коэффициенты фильтрации составляют 1,5...2,5 м/сут. Это число червороин вполне может наблюдаться при описании почв, причем поч-

вы на участке исследований, по данным автора, могут быть населены дождевыми червями до глубины 1,6... 1,9 м.

Для оценки влияния сложения и структуры иллювиального горизонта В на водопроницаемость был заложен длительный эксперимент in situ. На участке исследований 15 мая 2004 года был заложен шурф до верха горизонта В, глубиной 55...65 см. При откапывании шурфа дерн был вырезан и сохранен для последующей укладки. Ширина шурфа по дну составляла 0,7 м, длина 3,0 м. Описание шурфа позволило охарактеризовать почвенный профиль как типичный для дерново-подзолистых почв рассматриваемой возвышенной фации. Из горизонта В были взяты 8 образцов для определения плотности и пористости, которые составили 1,81 г/см и 0,33 м3/м3 соответственно.

На дне шурфа был уложен 5 см слой разрушенного иллювиального горизонта, после чего шурф был зарыт на срок более двух лет до июля 2006 года. После откапывания шурфа осмотрели разрушенный слой для выяснения степени восстановления структуры и выполнили налив в однокольцевой ин-фильтрометр для определения эффективного коэффициента фильтрации.

Оценка сложения и структуры показала, что разрушенный верхний 5 см слой иллювиального горизонта, залегающий на глубине 60 см, может быть освоен за 2 года дождевыми червями (обнаружено 30 шт/м2 ходов дождевых червей). При осмотре разрушенного горизонта обнаружено, что полного восстановления структуры почвы за это время не происходит. При опробовании нарушенного горизонта способом налива из инфильтрометра с одиночным кольцом (на участке без ходов дождевых червей) он характеризуется коэффициентом фильтрации 0,05 м/сут, что согласуется с наименьшими значениями эффективного коэффициента фильтрации горизонта при напорном впитывании, а также матричным коэффициентом фильтрации ненарушенного горизонта. Контрольные наливы вблизи шурфа, сделанные как в 2004, так и в 2006 годах, показывают среднюю величину эффективного коэффициента фильтрации 1,0 м/сут, что похоже на ранее найденную среднюю величину при напорном впитывании 0,89 м/сут. По-видимому, полного восстановления макропористости горизонта (и эффективной водопроницаемости порядка 0,9 - 1,0 м/сут) за два года не происходит.

Глава 3. Оценка возможности образования верховодки

В этой главе приведены существующие критерии образования верховодки - временной и ограниченной по площади зоны полного насыщения, располагающейся, как правило, на слабопроницаемых прослойках, появляющейся обычно при обильной инфильтрации влаги в почву. Многие авторы указывают в качестве критериев образования верховодки инфильтрацию, превышающую коэффициент фильтрации, а также значение коэффициента фильтрации слабопроницаемой прослойки около 0,05 м/сут.

Для оценки возможности образования верховодки необходимы расчеты влагопереноса в почве с учетом как водопроницаемости раздельного слоя (иллювиального горизонта), так и информации о характерном инфильтраци-

онном питании. Для учета инфильтрационного питания предложено использовать известный подход анализа продолжительности дождливых периодов (т.е. таких, когда дождь идет каждый день) и суточных интенсивностей осадков (Голованов, Караев, 1986). В первом приближении можно считать, что при малых уклонах поверхности, достаточной свободной пористости почвы и малом за дождливый период испарении все выпавшие осадки просачиваются через верхние горизонты к иллювиальному горизонту В. Это инфильтраци-онное питание (табл. 2) может вызывать появление верховодки.

1. Количество осадков за дождливые периоды (м-ст. Московская метеорологическая обсерватория им. Михельсона (ТСХА)) за 100 лет

Повторяемость Число случаев за 100 лет Количество осадков за дождливый период, мм

За 1 сутки За 2 суток ЗаЗ суток За 4 суток За 5 суток За 6 суток За 7 суток За 8 суток

1 раз в 100 лет 1 99,9 93,4 99,9 86 97 81 90,3 81,6

1 раз в 50 лет 2 56,7 66,4 ' 69,6 79,6 78,5 75,6 70 71,2

1 раз в 20 лет 5 46,7 56,6 63,6 68 63 51,6 49,7 42,4

1 раз в 10 лет 10 32 42,4 53,4 60 53 39,6 28,7

1 раз в 5 лет 20 25,7 36,2 45,6 48 39,5 27

1 раз в 2 гола 50 19,3 29,6 33,6 35,6 11,5

1 раз в год 100 14,8 22 23,4 20

2 раза в год 200 10,9 15,2 13,8

5 раз в год 500 6,0 6,2

10 раз в год 1000 2,4

14 раз в год 1400 1,0

2. Средняя интенсивность осадков за дождливые периоды, мм/сут (м-ст. Московская метеорологическая обсерватория им. Михельсона (ТСХА))

Повторяемость Число Средняя интенсивность осадков за дождливый период, мм/суг

случаев за 100 лет За 1 За 2 ЗаЗ За 4 За 5 За 6 За 7 За 8

сутки суток суток суток суток суток суток суток

1 раз в 100 лет 1 99,9 46,7 33,3 21,5 19,4 13,5 12,9 10,2

1 раз в 50 лет 2 56,7 33,2 23,2 19,9 15,7 12,6 10 8,9

1 раз в 20 лет 5 46,7 28,3 21,2 17 12,6 8,6 7,1 5,3

1 раз в 10 лет 10 32 21,2 17,8 15 10,6 6,6 4,1

I раз в 5 лет 20 25,7 18,1 15,2 12 7,9 4,5

1 раз в 2 года 50 19,3 14,8 11,2 8,9 2,3

1 раз в год 100 14,8 11 7,8 5

2 раза в год 200 10,9 7,6 4,6

5 раз в год 500 6 3,1

10 раз в год 1000 2,4

14 раз в год 1400 1

Для расчета образования верховодки можно пользоваться подходом, при котором рассматривают потери напора фильтрационного потока во всех зонах влагопереноса. В зонах полного насыщения потери определяются исходя из закона Дарси, а в зонах неполного насыщения может быть использовано решение, полученное ранее А.И. Головановым и О. Паласиосом (1979). Это решение позволяют определить капиллярную составляющую напора ц/ (и

соответствующую влажность со) на одной из границ зоны неполного насыщения мощностью /г. На другой границе зоны - насыщенный слой.

Примем, что через все зоны имеется нисходящий установившийся поток влаги q (принято, что с/<0 при нисходящих токах). Можно получить зависимости для расчета образования верховодки на слабопроницаемом (раздельном) слое для принятой расчетной схемы (рис. 2).

Постоянная инфильтрация

пз

ВУВ

НУВ

УГВ

Ав Лт

Рисунок 2. Расчетная схема для определения возможности образования верховодки.

При основной гидрофизической характеристике (2) и зависимости для влагопроводности (4), приведенных выше, решение имеет вид

ехр(5(//)-ехр(-5/г,) (6)

ехр(—5/г()—1

Полученное выражение похоже по структуре на формулу Ю.Н. Никольского (Айдаров с соавт., 1990). Получим выражения для определения потенциала почвенной влаги и толщины слоя

^ = 1 / 5 • 1п(ехр(- 5А, Х-7 +1] - ^), (7)

1п

ехр(5(//)+ д 1+</

(8)

ехр(5(//)= й)5 ■

где д = д/ Кф, ц/ = , к ~ К

Для учета реальных свойств раздельного слоя (иллювиального горизонта В), который может быть причиной образования верховодки, заметим, что в обычных по увлажнению условиях (без верховодки) горизонт В находится в

состоянии неполного насыщения. По всей видимости, его водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации микропористых блоков Км, который можно определять в эксперименте по безнапорному впитыванию. При образовании зоны полного насыщения над и в толще раздельного слоя водопроницаемость может увеличиться за счет макропор. Мы не имеем данных о механизме работы макропор при переходе от неполного насыщения горизонта к полному насыщению. Согласно имеющимся мнениям, перенос по макропорам возможен преимущественно в напорных условиях фильтрации (Шеин Е.В., 2005).

Известны способы учета вариации коэффициента фильтрации при дренаже. Согласно полученным автором данным, матричный коэффициент фильтрации иллювиального горизонта В составляет от 0,02 м/сут до 0,17 м/сут.

Эмпирическая кривая обеспеченности величин матричного коэффициента фильтрации (рис. 3) позволяет указать относительную площадь поля, на которой возможна верховодка при конкретном инфильтрационном питании.

N >

о \

о\ \

N ) [\

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

Рисунок 3. Эмпирическая кривая (маркеры) обеспеченности матричного коэффициента фильтрации, аппроксимированная полиномом второй степени (линия). По вертикали - обеспеченность в долях, по горизонтали - матричный коэффициент фильтрации, м/сут.

Например, если верховодка образуется при матричном коэффициенте фильтрации раздельного слоя 0,04 м/сут и конкретной инфильтрации, то этот процесс охватит I - Р0 04 = I - 0,8 = 20% площади поля. Выполнены расчеты для осадков разной интенсивности и коэффициентов фильтрации разной обеспеченности (для Км=0,01 м/сут - табл. 3, остальные результаты в тексте). Число в ячейке таблицы показывает глубину от поверхности земли до верховодки при наименьшей необходимой для её образования инфильтрации (по

данным таблицы 2). Во всех строках, расположенных выше отмеченной, инфильтрация больше и поэтому верховодка тоже образуется. Информация о расстоянии от поверхности земли до верховодки может быть полезна для оценки временного подтопления корневой системы сельскохозяйственных растений.

Разработанная процедура расчета верховодки применена к описанию этого процесса на элювиальных фациях Дубнинского ландшафта. Сделаны выводы о вероятности появления верховодки на определенной территории в течение дождливых периодов различной продолжительности. При рассмотренных дождливых периодах и полученной автором водопроницаемости иллювиального горизонта получено, что за 100 лет возможно 230 случае верховодки разной продолжительности на 5% площади поля в слое 0-60 см, 22 случая на 15% площади, 3 случая на 25% и 1 случай на 50% площади поля.

В отличие от существующих подходов предложенный способ позволяет определять расстояние от поверхности земли до верховодки в зависимости от величины инфильтрационного потока, а также относительную площадь распространения по полю и вероятную частоту появления верховодки.

3. Наибольшая возможная повторяемость верховодки при ГГВ=4,0 м. Коэффициент фильтрации КМ=0,01 м/сут (РКм=95%), относительная площадь верховодки на поле 5%

Повторяемость Число случаев за 100 лет Продолжительность дождливых периодов

1 сутки 2 суток 3 суток 4 суток 5 суток 6 суток 7 суток 8 суток

1 раз в 100 лет 1 ■

1 раз в 50 лет 2

1 раз в 20 лет 5

1 раз в 10 лет 10 0л*>

1 раз в 5 лет 20

1 раз в 2 года 50 1Ш:

I раз в год 100 Всего за 100 лет возможно 230 случаев образования верховодки на периоды от 1 до 8 суток

2 раза з год 200

5 раз в год 500

10 раз в год 1000

14 раз в год 1400 1 1 1

Условные обозначения к таблице 3: темно-серый - возможно образование верховодки, число -расстояние от поверхности земли до верховодки, м; светло-серый - участок обильно переувлажнен при соответствующих интенсивностях (таблица 2).

Глава 4. Прогноз водного режима переувлажненных подзолистых почв

В этой главе изложен современный подход кафедры мелиорации и рекультивации земель МГУП к описанию гидрологических, солевых и геохимических процессов в геосистемах. Для расчетов водного режима и гидрологических процессов на водосборе А.И. Головановым разработана двумерная модель влагопереноса, описывающая процессы на различных фациях катены как элементарного водосбора: элювиальной, трансэлювиальной фации скло-

нов (транзитной для водных потоков) и супераквальной пониженной (пойменной). Модель, использованная для расчетов, описана в работе, представляет собой уравнение истинно двумерного потока влаги, реализованное в виде конечно-разностной численной схемы.

Такая схематизированная катена включает в себя земли с разными типами водного питания по А.Д. Брудастову (1955): атмосферным, намывным делювиальным, грунтовым. Она также включает набор зональных и азональных почв, учитывает размеры и формы рельефа, геологическое сложение. Автором были выполнены расчеты для условий типичной катены Дубнинского ландшафта (2006). Общая ширина катены равна 4000 м, элювиальной фации - 820 м, трансэлювиальной - 2180 м, супераквальной - 1000 м, разность высот на катене составляет 60 м. Левой границей катены является русло реки Дубны, на границе супераквальной и трансэлювиальной фаций протекает притеррасная речка Шурумка, играющая роль естественной ловчей дрены. Объем стока талых вод оценивался по зависимости:

где Ос, иЯ,- осадки и испарение в холодный период года; а - коэффициент поверхностного стока, это трудно определяемая величина, зависящая от многих факторов и условий (Костяков, 1931): крутизны склонов, водопроницаемости почв и подстилающих фунтов, их увлажненности перед снеготаянием или обильными дождями, состояния поверхности (распаханной или залуженной), от наличия леса, микрорельефа в виде замкнутых понижений, интенсивности оттаивания почвы, интенсивности дождя и др. В данных условиях коэффициент весеннего поверхностного стока принят равным для элювиальной и супераквальной фаций с малыми уклонами - 0,36, а для трансэлювиальной со средними уклонами — 0,52.

4. Влияние мелиорации на составляющие стока, среднемноголетние показатели в мм

Годовое испарение Годовой сток Сток половодья Меженный сток

Годовые осадки £ О. са л ч о ч ¡2 а. СЗ Ь2 »а 8 <и н о. И X л ч и ч о н п. СЗ л ч <и ч

О С О С о с 1 О С

Естественный режим 606 409 399 197 207 102 106 95 101

Мелиорация 606 392 214 93 121

Использованы данные по метеостанции г. Дмитров за 42 года (1959...2000). Критерием правильности схематизации природных условий, в том числе и коэффициентов поверхностного стока, явилось хорошее согласие слоя среднемноголетнего годового местного стока и стока весеннего половодья за 42 года со значениями, приведенными на официальных картах стока: по модели 207 и 106 мм, а по картам 197 и 102 мм, соответственно (табл. 4).

Согласуется также многолетняя их изменчивость: коэффициент вариации годового стока по расчетам 0,27 и 0,34, а по картам - 0,25 и 0,46.

Высотное положение фаций по разному формирует их среднемноголет-ний годовой водный баланс: для элювиальных фаций осадки равны 606 мм, испарение только 288 мм (с учетом испарения в холодный период, равного 75 мм), сток талых вод - 65, а подземный отток - 252 мм, т.е. суммарный отток влаги на пониженные фации составляет при наличии хорошо проницаемых супесчаных почв 52% годовой суммы осадков. У транзитной фации склонов испарение возрастает до 405 мм, боковой отток превышает приток на 67 мм, весенний и летний сток равен 133 мм, т.е. суммарный отток влаги равен 200 мм или 33% осадков. Пониженная супераквальная фация испытывает значительный дополнительный приток влаги - 353 мм или 58% годовых осадков, что при недостаточной естественной дренированное™ вызывает подъем уровня грунтовых вод, сильное переувлажнение почвы, рост поверхностного стока. Именно при таком детальном анализе водного баланса проявляются предложенные А.Д. Брудастовым типы водного питания и следующие из них методы осушения, в данном случае: ограждение от притока подземных вод со склонов, углубление водоприемника, систематический горизонтальный дренаж для увеличения оттока подземных вод и понижения их уровня.

Относительная урожайность определялась расчетами по формулам В.В. Шабанова. После осушения и орошения земель ожидается некоторое увеличение годового местного стока с данной катены с 207 до 214 мм, уменьшение стока весеннего половодья за счет большего впитывания талых вод в осушенную почву - со 106 до 93 мм и увеличение меженного стока за счет усиления дренированности территории - со 101 до 121 мм. Если же из местного меженного стока вычесть забор воды на орошение при среднемно-голетней норме, приведенной ко всей площади катены 66-820/4000 = 14 мм, то и меженный сток увеличится незначительно - на 6 мм, а годовой даже слегка уменьшится — на 7 мм. Такую направленность изменения речного стока в результате водных мелиораций в гумидной зоне подтверждают многие авторы. Незначительное, но благоприятное для водосбора изменение речного стока объясняется небольшой мелиоративной нагрузкой.

Больше всего изменяется водный режим осушаемой супераквальной фации: углубление ловчей дрены провоцирует некоторое увеличение бокового притока на нее - с 353 до 371 мм, (при сравнении водообмена между фациями, выраженном в мм слоя воды, надо иметь в виду их разную ширину), суммарный отток подземных вод с фации в углубленное русло Дубны, в Шурум-ку и в систематический дренаж вырастает значительно — до 45+256+128=429 мм по сравнению с естественным 32+250=282 мм или в 1,66 раза.

Осушение способствует увеличению впитывания талых вод — с 48 до 99 мм, а также объема впитавшихся осадков (с 282 до 348 мм), вследствие этого прекращается поверхностный сток летом. Среднегодовая глубина грунтовых вод при этом увеличивается с 0,98 до 1,43 м, а среднегодовая минимальная -с 0,29 до 0,82 м, т.е. обеспечивается требуемая норма осушения. Это объяс-

няет существенный, практически в 2 раза, прирост продуктивности фации за счет оптимизации водного режима. Негативной является смена выпотного типа водного режима, т.е. капиллярного подпитывания, в среднем равном 64 мм в год, на промывной тип, с интенсивностью 69 мм/год, полученное при моделировании значение промываемости подтверждается полевыми исследованиями с помощью лизиметров (В.В. Пчелкин, 2003). Это приведет к вымыванию из почвы питательных веществ и растворенного гумуса, а также загрязнению речных вод биогенами. Компенсировать вымыв можно повышенным внесением удобрений, но это не защищает речные воды. Оптимальным может быть некоторое снижение интенсивности дренирования и связанное с ним уменьшение продуктивности (урожайности).

Водный режим трансэлювиальной фации, судя по осредненным показателям, изменился незначительно, но углубление ловчей дрены до 1,6... 1,7 м привело к осушению прилегающих к ней земель и к заметному увеличению урожайности. В среднем относительная продуктивность катены в результате водных мелиораций возрастает с 0,46 до 0,78, т.е. в 1,7 раза. Этот рост нужно обеспечить повышенными нормами удобрений, в основном, органическими, как экологически менее опасными.

На высоко- и вдалеке расположенную элювиальную фацию осушение не сказалось, изменения вызваны только поливами в засушливые годы, из 42 лет 2 и более полива нормами по 30 мм понадобилось в 27 годах, в среднем это увеличивает урожайность картофеля в 0,93/0,72=1,29 раза. Среднемноголет-няя оросительная норма составила 66 мм, из-за легкого механического состава почв (супеси) часть поливной воды даже при незначительных нормах все таки просочилась вниз, увеличив промываемость метрового слоя почвы на 29 мм и боковой отток на 24 мм, суммарное испарение возросло на 42 мм. Компенсировать рост промываемости надо дополнительным внесением удобрений. Оценена возможность риск образования верховодки: на площади 5% поля - до 230 раз и на площади 15% - до 22 раз за 100 лет из-за естественных дождливых периодов разной продолжительности, на больших площадях вероятность образования верховодки мала. Отметим, что без орошения урожайность картофеля на возвышенности во влажные годы составляет 0,93, тогда как в сухие 0,53, что свидетельствует о позитивном влиянии на рост растений некоторого застоя влаги в пахотном слое над слабопроницаемым иллювиальным горизонтом.

Иная ситуация на склоне, что подтверждается сравнением урожайности многолетних трав на склоне во влажные и сухие годы. До мелиорации эти показатели составляли 0,67 и 0,13, разница в пять раз ясно свидетельствует о решающей роли переувлажнения в снижении урожаев. После углубления ловчей дрены негативное влияние переувлажнения не ликвидировано, хотя урожайность повысилась, средняя относительная урожайность в сухие годы составляет 0,89, а во влажные годы 0,54.

Данные о незначительном изменении годового, стока половодья и ме-женнего стока говорят о том, что загрязнение реки Дубны биогенами после

мелиорации практически не увеличится, так как площадь пахотных земель не изменится, а сокращение поверхностного стока в половодье на 106 - 93 = 13мм и уменьшение летнего поверхностного стока с супераквапьной фации на 66 мм приведет к уменьшению смыва биогенов в реку, рост подземного питания и соответственно меженнего стока при осушении с учетом использования части дренажного стока на орошение составит только 6 мм. Для закрепления этого эффекта необходимы простейшие природоохранные мероприятия по извлечению биогенов из дренажных вод: биоплато в устье осушительных каналов и установка фильтрующих пакетов с сорбентами, извлекающих гербициды и тяжелые металлы, содержащиеся в минеральных удобрениях.

На основе выполненных прогнозных расчетов водного режима катены в бассейне р. Дубны рекомендованы следующие мелиоративные мероприятия: оптимизация глубины русла р. Шурумка (ловчей дрены в основании склона), осушение пойменной пониженной фации горизонтальным дренажем, заложенным на глубине 1,2...1,3 м с междренным расстоянием 30 м, орошение сельскохозяйственных угодий на возвышенности со среднемноголетней нормой 66 мм (при возделывании картофеля). Для обеспечения оптимального водного режима на склоне, особенно в нижней трети, необходимо применять методы ускорения поверхностного стока и перевода его во внутрипочвенный, применяя закрытые собиратели, кротовые дрены; эффективность дренирования земель может быть повышена улучшением структуры иллювиального моренного горизонта.

А.Д. Брудастов (1955) отмечает, что для осушения суглинистых земель имеет большое значение введение правильных севооборотов, в результате действия которых почвы постепенно приобретают комковатое строение не только в пределах пахотного горизонта, но и значительно глубже. Обычно севооборотов недостаточно для оструктуривания пахотного и подпахотного горизонтов. Для снижения рисков, связанных с периодическим переувлажнением дерново-подзолистых почв на суглинках, существует ряд агромелиоративных мероприятий. При осушении земель атмосферного типа водного питания для ускорения внутрипочвенного стока применяют три способа - кро-тование (отметим, что кротовины (созданные кротованием) и кротовый дренаж (кротовые земляные дрены) различаются), глубокое мелиоративное рыхление и чизелевание.

Ускорение внутрипочвенного стока — благоприятный процесс только с точки зрения земледельца. При этом ликвидируется переувлажнение, но одновременно усиливается промывной режим почв, что способствует истощению и так ограниченных запасов гумуса и питательных веществ.

Иллювиальный горизонт в почве возник и сформировался как биогеохимический барьер, препятствующий интенсивным потокам воды и растворенных веществ из дерново-подзолистых почв в подстилающие фунты и фунтовые воды. Его разрушение при специальной обработке трудно признать экологически обоснованным. С другой стороны, трудно обеспечить интенсивное земледелие на угодьях с дерново-подзолистыми почвами, испыты-

вающими периодическое переувлажнение. Кроме того, при обработке почвы во влажном состоянии с использованием тяжелой техники возможно образование антропогенных переуплотненных горизонтов.

Можно признать, что агромелиоративные мероприятия могут быть применены как средство борьбы с периодическим переувлажнением земель сельскохозяйственного назначения для обеспечения лучших условий для роста растений. Важно учитывать, что отрицательными эффектами могут быть повышение промываемости почвы и повышенные нормы удобрений для компенсации снижения плодородия, а также загрязнение фунтовых вод. Агромелиоративные мероприятия должно проводиться после соответствующих обоснований, подтверждающих реальное негативное влияние верховодки на рост и развитие конкретной сельскохозяйственной культуры.

Применение тех или иных технологий во многом зависит от свойств осушаемых почв. Так, чизелевание разрушает уплотненные слои до глубины 40 - 45 см что недостаточно на описанных фациях.

Кротовый дренаж предназначен прежде всего для тяжелых по механическому составу минеральных почв и торфяных почв. Его прокладывают кро-тодренажными машинами с уклоном 0,02...0,002. Длина дрен может быть равна 50...200 м, диаметр 6... 10 см. Глубина закладки кротовых дрен до 1 м, что позволяет их использовать на рассматриваемой территории. Стабильность дрен зависит от генезиса и структурности почв, для подзолистых почв на моренных суглинках составляет 1...3 года, разработаны технологии армирования стенок дрен для повышения этого срока. Создание кротовых дрен можно проводить при влажности, превышающей ППВ, что повышает их применимость для переувлажненных земель. Для рассмотренной территории можно рекомендовать эту технологию.

Кротование подпахотного слоя проводят как самостоятельную операцию или одновременно со вспашкой, применяют как на землях, осушенных закрытыми собирателями, так и без них. Эта технология предполагает создание полостей на глубине 30...35 см сетью поперек расположения дрен для отвода избыточной воды по подпахотному слою. Расстояние между кротовинами рекомендуют делать 1...2 м, срок службы их составляет, по разным данным, 1...3 года. Принципиальное отличие от кротовых дрен в том, что кротовины не имеют постоянного уклона, их форма следует за формой поверхности земли. На рассмотренной территории отсутствуют слабопроницаемые прослойки на глубине до 35 см, что делает кротование бесполезным.

Глубокое мелиоративное рыхление изменяет неблагоприятные физические свойства подпахотных горизонтов на глубину 0,6... 1,0 м, переводит поверхностный сток во внутрипочвенный и ускоряет его. Рекомендуется на суглинистых и глинистых почвах, коэффициент фильтрации которых в слое 30 -80 см менее 0,2...0,3 м/сут. Глубокое мелиоративное рыхление не практикуют при большом количестве камней крупнее 0,3 м. Иногда предварительно выполняют кротование для ускорения стока гравитационной влаги и подсу-

шивания почвы (Зайдельман, 1991), поскольку рыхление не рекомендуют проводить при объемной влажности почвы свыше 0,25...0,35 м3/м3.

Как сообщает Г.Г. Гулюк (2004), B.C. Печенина на опытно-производственном участке «Михневский» Московской области показала, что глубокое рыхление тяжелых суглинистых почв, осушаемых закрытым дренажем, оказывает положительное воздействие на улучшение водно-физических свойств почв и фунтов. После глубокого рыхления плотность почвы в слое 20-60 см уменьшилась на 10... 15%, а порозность разрыхленной почвы в этом слое увеличилась на 14... 18%. Коэффициент фильтрации поч-вофунта под действием глубокого рыхления в слое 30-50 см увеличился в 7... 12 раз. Через два года после глубокого рыхления водопроницаемость разрыхленного слоя на этой же глубине была в 2,5...4,0 раза выше, чем водопроницаемость на контроле.

Иногда глубокое мелиоративное рыхление дополняют внесением струк-турообразователей. Известкование не только устраняет кислую реакцию почвы, но улучшает и ее физические свойства, благодаря коагуляции илистых частиц и, вероятно, путем рыхления породы выделяющимся углекислым газом. По имеющимся данным, рыхление с известкованием подпахотного слоя увеличили его водопроницаемость в 500. ..600 раз (с 0,001 до 0,6 м/сут).

Последействие глубокого мелиоративного рыхления почв на моренных суглинках может сохраняться до 12... 14 лет (Зайдельман, 1991), при использовании тяжелой техники рекомендуется рыхление на глубину 0,4 м каждые 4...5 лет между полнопрофильными рыхлениями для разрушения переуплотненной плужной подошвы. На склоновых фациях при наличии обильного стока рыхление ухудшает водный режим тяжелосуглинистых почв на карбонатном глинистом элювии, поскольку создает дополнительную емкость по-рового пространства, приводящую к аккумуляции стока и переувлажнению вплоть до заболачивания. Ф.Р. Зайдельман отмечает (1991), что рыхление приемлемо для автоморфных фаций без склонового намывного питания, тогда как наличие притока с водосбора может значительно ухудшить мелиоративное состояние почв в нижних частях склона.

Судя по отсутствию крупных камней (более 0,3 м) в слое 50... 100 см на рассмотренном автором участке на территории Дубнинского ландшафта, а также матричному коэффициенту фильтрации иллювиального горизонта 0,09 м/сут можно рекомендовать глубокое мелиоративное рыхление для улучшения структуры иллювиального горизонта и повышения его водопроницаемости, проводя его на фоне систематического дренажа закрытыми собирателями или кротовыми дренами. Земли склонов, почвенный профиль которых свидетельствует о глееватости, подвергать рыхлению без дренажа нежелательно (по крайней мере, без дополнительного обоснования этого мероприятия). Кроме того, можно применять альтернативные способы увеличения внутрипочвенного стока, повышения водопроницаемости и общей пористости почв, снижения их плотности. Эту роль может сыфать система биологических методов мелиорации.

Биологические методы мелиорации переувлажненных тяжелых почв.

Одним из вариантов является система фитомелиоративных мероприятий, основанная на применении нетрадиционных многолетних трав с мощной корневой системой. Эффект значительного увеличения водопроницаемости суглинистой почвы под посевами многолетних трав отмечал А.Н. Костяков (1960), приводя данные A.A. Артемьева (СевНИИГиМ)). В качестве биомелиорантов на всех почвах независимо от их гранулометрического состава используют посевы козлятника восточного и сильфии пронзенолистной. Наиболее перспективным оказалось применение сильфии пронзенолистной, корневая система которой проникает на глубину до 60...70 см. Растения высевают один раз, а их вегетация продолжается затем на протяжении 10 лет и более. Ежегодно производят два укоса этих культур. Корни сильфии пронзенолистной на 3...6-Й годы жизни достигают мощного развития и оказывают весьма существенное влияние на физические свойства почв. На 5...7-й годы жизни этой многолетней травы в 2...3 раза увеличивается содержание органического вещества в подпахотных горизонтах (в том числе и в почвах легкого гранулометрического состава), снижается их плотность на 0,1...0,3 г/см3, в несколько раз увеличивается (Зайдельман, 2003).

Положительное последействие корней многолетних трав на физические свойства почв прослеживается на протяжении длительного периода. Использование сильфии пронзенолистной и других нетрадиционных трав с мощными корневыми системами должно осуществляться на минеральных гидро-морфных почвах (например, на дерново-подзолистых, глееватых, глеевых) после осушения и создания благоприятных гидрологических условий для роста и развития этих растений, для чего может быть применен, например, кротовый дренаж.

Недостаточно внимания уделяется возможному способу управления водопроницаемостью иллювиального горизонта культивированием сообществ дождевых червей. Их биологические и экологические особенности достаточно хорошо изучены. Со времен Ч. Дарвина (Образование растительного слоя деятельностью дождевых червей, 1881) широко распространено мнение, что дождевые черви улучшают структуру и плодородие почвы. Наши данные показывают, что при плотности червороин 150...200 шт/м2 эффективные коэффициенты фильтрации составляют 1,5...2,5 м/сут; эта величина вероятно, относительно стабильна, поскольку водостойкие выделения червей укрепляют червороины и не дают им заплывать и смыкаться при обильном увлажнении. Значительная макропористость и водопроницаемость будет способствовать лучшей аэрации почвы и перераспределению по глубине обильных осадков. Эти сведения подтверждают возможность биологической мелиорации переувлажненных дерново-подзолистых почв поддержанием популяций дождевых червей. Для решения этой задачи необходимы дополнительные исследования совместимости различных систем земледелия с условиями жизни этих популяций.

выводы

1. Выявлены два механизма инфильтрации и влагопереноса в поровом пространстве сложно устроенного иллювиального горизонта В дерново-подзолистых почв на покровных суглинках моренных отложений: при безнапорном впитывании влагоперенос происходит в микропористых блоках, их водопроницаемость предложено характеризовать матричным коэффициентом фильтрации; при напорном впитывании влагоперенос происходит как в микропористых блоках, так и в макропорах (трещинах, корневых ходах, черво-роинах), водопроницаемость при этом предложено характеризовать эффективным коэффициентом фильтрации.

2. Матричный коэффициент фильтрации предложено определять в эксперименте по безнапорному впитыванию, например, при малоинтенсивном дождевании днища шурфа, вскрывающего кровлю иллювиального горизонта В. Эффективный коэффициент фильтрации предложено определять в эксперименте по напорному впитыванию, например, при наливе в однокольцевой инфильтрометр при переменном уровне воды по усовершенствованной нами методике. Для рассмотренной территории получено отличие на порядок величин эффективного и матричного коэффициентов фильтрации (0,89 и 0,09 м/сут соответственно).

3. Установлена зависимость (с коэффициентом корреляции 0,79) эффективного коэффициента фильтрации от количества ходов дождевых червей, показывающая закономерный рост водопроницаемости до 1,5...2,5 м/сут при возрастании количества червороин до 150...200 шт/м2.

4. Анализ эмпирической кривой обеспеченности величин матричного коэффициента фильтрации позволил выявить случайную вариацию макропористости иллювиального горизонта с характерными размерами фильтрационных неодно]эодностей 20 см (в которых макропоры почти или полностью отсутствуют) и суммарной площадью неоднородностей порядка 20% площади поля с генетически однородным иллювиальным моренным горизонтом В.

5. В результате двухлетнего эксперимента in situ по восстановлению разрушенного 5-см слоя иллювиального горизонта обнаружено, что он освоен за это время дождевыми червями (до 30 шт/м2 червороин). Полного восстановления структуры горизонта за 2 года не происходит. Водопроницаемость при напорном впитывании из кольца характеризуется величиной коэффициента фильтрации 0,05 м/сут (в кольце без червороин).

6. Разработана процедура расчета верховодки с учетом вариации по площади матричного коэффициента фильтрации и фактических интенсивностей осадков, а также вероятности появления дождливых периодов. Сделаны выводы о вероятности появления верховодки на элювиальных фациях Дубнинского ландшафта: в слое 0 - 50 см за 100 лет возможно 230 случаев верховодки разной продолжительности на 5% площади поля, 22 случая на 15% площади, 3 случая на 25% и 1 случай на 50% площади поля.

7. Расчеты водного режима катены до и после мелиорации показывают, что возвышенные фации в целом находятся в условиях дефицита влаги (что

не исключает периодического переувлажнения корнеобитаемого слоя, особенно при затяжных дождях), нижняя треть склоновых фаций испытывает переувлажнение. Рекомендовано орошение на возвышенности со среднемно-голетней нормой для картофеля 66 мм и дренаж нижней части склона.

8. Рекомендовано глубокое мелиоративное рыхление на фоне дренажа на элювиальных фациях с дерново-подзолистыми почвами для снижения негативного влияния периодического переувлажнения пахотного слоя. На этих участках перспективными являются биологические способы мелиорации (выращивание трав с мощной глубокой корневой системой, а также поддержание сообществ дождевых червей). Результатом мероприятий должна стать выраженная водопрочная структура трещиноватого иллювиального горизонта, величины эффективного коэффициента фильтрации порядка 1,5...2,5 м/сут, количество червороин и корневых ходов на глубине 60... 100 см порядка 150...200 шт/м2.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Голованов А.И., Корнеев И.В., Впитывание воды в почву из инфильтро-метра с одиночным кольцом: теория и результаты II Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции Московского государственного университета природообустройства «Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России». - М., 2005

2. Корнеев И.В. Влияние изменчивости водопроницаемости иллювиального горизонта на водный режим дерново-подзолистых почв возвышенных фаций // Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции Московского государственного университета природообустройства «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем», - М., 2006

3. Корнеев И.В. Инфильтрометр с одиночным кольцом: теория и практика // Сборник научных докладов (статей) 2-й Всероссийской конференции молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации», Ассоциация организаций водохозяйственного комплекса; ФГНУ ВНИИ «Радуга». - Коломна, 2005

4. Корнеев И.В. Обоснование мелиоративного режима с помощью модели влагопереноса на сопряженных фациях // Сборник научных докладов (статей) 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации», Ассоциация организаций водохозяйственного комплекса; ФГНУ ВНИИ «Радуга». - Коломна, 2006

5. Корнеев И.В. Расчет верховодки в дерново-подзолистых почвах // Мелиорация и водное хозяйство, 2007, №2

Московский государственный университет природообустройства (МГУП) Зак№ Тираж -jDö

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Корнеев, Илья Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Геологическое строение Московской области.

1.2. Климат Московской области.

1.3. Почвы возвышенных фаций Московской физико-географической провинции.

1.4. Водный режим дерново-подзолистых почв.

1.5. Водопроницаемость дерново-подзолистых почв.

1.6. Почвы на участке исследований.

Выводы по главе.

ГЛАВА 2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ИЛЛЮВИАЛЬНОГО ГОРИЗОНТА В

ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ.

2.1. Определение водопроницаемости иллювиального горизонта В при безнапорном впитывании.

2.2. Определение водопроницаемости иллювиального горизонта В при напорном впитывании.

2.3. Особенности пространственной вариации водопроницаемости и ее связь со сложением почвы.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ВЕРХОВОДКИ. 79 3.1. О подходах к оценке образования и роли верховодки.

3.1. Усовершенствованный способ расчета верховодки с учетом данных о дождливых периодах.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ПРОГНОЗ ВОДНОГО РЕЖИМА ПЕРЕУВЛАЖНЕННЫХ ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ.

4.1. Моделирование водного режима катены в естественных условиях и при мелиорации

4.2. Оптимизация водного режима управлением водопроницаемостью иллювиального горизонта.

Выводы по главе.'.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Влияние водопроницаемости иллювиального горизонта на водный режим дренируемых дерново-подзолистых почв"

Актуальность работы. Нечерноземная зона России, занимающая площадь более 250 млн. га, является важным в сельскохозяйственном отношении регионом, в котором к 1980 г. мелиоративный фонд составлял 10,8 млн. га. Подъем и интенсификация сельского хозяйства в этом регионе требуют применения комплексных мелиораций, что вызвано особенностями умеренно континентального климата, в котором возможны как влажные, так и засушливые годы, а также широким распространением переувлажненных почв (из-за малой водопроницаемости глин и суглинков на моренных отложениях) (Алексанкин, Дружинин, 1980).

На проблемы мелиорации земель в Нечерноземной зоне обращали внимание С.Ф. Аверьянов (1957, 1969), А.Д. Брудастов (1934, 1955), А.И. Голованов (1965, 1990), Ф.Р. Зайдельман (1981, 1984, 1991, 2003), А.Н. Костяков (1960), Е.С. Марков (1973, 1977), Б.С. Маслов (1970, 1971, 1999), В.В. Пчелкин (2003). Традиционно в работах уделяется больше внимания пойменным землям, хотя рассматриваются и вопросы мелиорации земель на элювиальных фациях, на которых в Московской области широко распространены подзолистые почвы (Почвы Московской области., 2002).

Основной задачей мелиорации А.Н. Костяков считал управление круговоротом воды и зольных питательных элементов в целях прогрессивного повышения плодородия почв (Костяков, 1960). Совместное управление геологическим и биологическим круговоротом воды и зольных питательных веществ может быть достигнуто при условии комплексной взаимосвязи ме-"Лиоративно-1 идро технических и агротехнических методов, составляющих единую систему мелиоративных мероприятий, отвечающих природным и хозяйственным условиям данного района. А.И. Голованов развил эти представления и применительно к землям сельскохозяйственного назначения сформулировал: «цель мелиорации заключается в расширенном воспроизводстве плодородия почвы, получении оптимального урожая определенных сельскохозяйственных культур при экономном расходовании всех ресурсов, недопущении или компенсации ущерба природным системам и другим землепользователям» (Основы природообустройства, 2001). Однако цели мелиорации земель могут быть достигнуты только при выполнении набора требований к управляемым факторам почвообразования, роста растений и воздействия на окружающую среду, которые должна обеспечивать система мелиоративных мероприятий. Этот набор требований А.И. Голованов и И.П. Айдаров назвали мелиоративным режимом (Айдаров, Голованов, 1986).

Общие подходы к регулированию водного режима почв как основы почвообразовательного процесса и обеспечения потребностей интенсивного земледелия в гумидных районах можно свести к предупреждению вторичного заболачивания территорий, усилению аэрации почв для активизации корневой деятельности и развития в почвах окислительных процессов, ослаблению промывного режима (Оптимизация мелиоративных режимов.1990).

Теория мелиоративного режима продуктивна при соответствующем комплексном подходе к описанию и анализу природных систем. Современная мелиорация опирается на геосистемный подход, в рамках которого необходимо изучение свойств всех компонентов природы и закономерностей их взаимодействия (Основы природообустройства, 2001, Ландшафтоведение, 2005).

Изучению влияния мелиорации на отдельные компоненты природной среды и ландшафты в целом посвящены исследования С.Ф. Аверьянова (1974), И.П. Айдарова (1986, 1990), А.И. Голованова (1975,1986, 1991, 1993), Ф.Р. Зайдельмана (1984), Д.М. Каца (1988), J1.B. Кирейчевой (1997), Д.А. Манукьяна (1986), В.В. Шабанова (1983) и других ученых.

Разнообразие геологических и гидрогеологических условий, тепло- и влагообеспеченности территории формируют весьма разнообразную матрицу ландшафтов и местностей с различными типами водного питания и условиями почвообразования, результатом которых является специфический почвенный покров ландшафтов. В гумидной зоне сочетание и периодическая смена подзолистого, глеевого и дернового процессов приводят к появлению недостаточно плодородных в естественном состоянии, но отзывчивых на мелиоративные воздействия почв. Подзолистые почвы отличаются сложным строением, почвенный профиль содержит вымытый легкий по механическому составу элювиальный горизонт и тяжелый иллювиальный, последний часто образуется на покровных суглинках, развившихся на мореных отложениях (Плюснин, Голованов, 1983).

Почва, будучи сложным самоорганизующимся органоминеральным телом, активно регулирует обмен с окружающей средой. Слабопроницаемый иллювиальный горизонт выполняет функцию локального водоупора, активно управляющего потоками влаги в почве. Низкая водопроницаемость вызывает застой влаги в корнеобитаемом слое, что меняет направленность почвообразовательного процесса и может иметь как позитивное (снижает промывае-мость и потери гумуса), так и негативное значение для роста и развития сельскохозяйственных растений (вызывает образование верховодки и подтопление корневой системы). Развитая структура и макропоры (трещины, корневые ходы, червороины) иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв создают из слабопроницаемого слоя активную среду, которая снижает про-мываемость верхних горизонтов, задерживая в них влагу, но обильные ин-фильтрационные потоки перераспределяет в почвенном профиле.

Эти земли часто обладают неудовлетворительными потребительскими свойствами, которые обусловлены их генезисом, строением, функционированием. С одной стороны, промывной режим этих почв обуславливает потерю питательных веществ и 1умуса из верхних горизонтов, с другой стороны, недостаточная водопроницаемость иллювиального горизонта обуславливает их переувлажнение и оглеение (Зайдельман, 1998).

Развитие подходов имитационного моделирования природных процессов при мелиорации земель (Основы природообустройства, 2001) требует параметризации моделей, для чего необходимы модельно-ориентированные эксперименты по определению различных гидрофизических характеристик почв и грунтов (Никитенков, 1983). Почвоведы глубоко проникли в понимание особенностей процессов в дерново-подзолистых почвах, на этих знаниях должны быть основаны современные экспериментальные методики и рекомендации по проведению мелиоративных мероприятий.

В настоящее время в литературе нет однозначного мнения по поводу корректного экспериментального определения одного из важнейших показателей водопроницаемости - коэффициента фильтрации почв со сложным строением порового пространства, развитой структурой и макропорами. Требуются экспресс-методы, позволяющие получить необходимую информацию для моделирования влагопереноса в почвах и грунтах с учетом их сложного строения.

Для обоснования мероприятий по управлению водным режимом дерново-подзолистых почв на землях сельскохозяйственного назначения при дренаже требуются количественные прогнозы, основанные на моделировании влагопереноса, а также данные о возможности образования верховодки при конкретном инфильтрационном питании и водопроницаемости иллювиального горизонта. Слабо освещен вопрос о пространственной вариации коэффициента фильтрации иллювиального горизонта, тогда как именно эти данные позволят прояснить особенности образования прерывного в пространстве переувлажнения над иллювиальным горизонтом.

Существующие сведения о сложном строении и свойствах иллювиального горизонта требуют проработки вопросов об оптимизации водного режима земель управлением его водопроницаемостью, для чего необходимы данные о динамике восстановления водопроницаемости нарушенного иллювиального горизонта.

В связи с вышеизложенным, в развитие существующих знаний и представлений об оптимизации водного режима земель сельскохозяйственного назначения была поставлена следующая цель работы: оценить влияние водопроницаемости сложно устроенного иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв на водный режим дренируемых земель и дать рекомендации по управлению им. Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследований:

1. Выявить особенности строения порового пространства трещиноватого макропористого иллювиального горизонта и его водопроницаемости.

3. Разработать и оценить способы определения водопроницаемости почв.

5. Оценить возможность образования верховодки на иллювиальном горизонте.

Для решения поставленных задач было выбрано несколько методов исследований: имеющиеся теоретические и экспериментальные разработки были обобщены по литературным источникам; применен ландшафтный подход к описанию района исследований и водного режима земель; проанализированы, разработаны и усовершенствованы способы экспериментального определение водопроницаемости почв; для описания естественного водного режима земель, а также его изменения при мелиорации использовано математическое моделирование процессов влагопереноса в почвах и грунтах и продуктивности растений.

6. Получены данные о восстановлении нарушенного иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв.

Практическая значимость работы

1. Предложена комплексная методика оценки водопроницаемости почв при напорном и безнапорном впитывании, позволяющая выявить величины эффективного и матричного коэффициентов фильтрации.

2. Предложена процедура описания верховодки при обильных дождях.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены автором на Юбилейной конференции, посвященной 75-тилетию Почвенного института им. В.В. Докучаева «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям» в 2002 году, Всероссийской конференции молодых ученых аграрных вузов «Инновации молодых ученых - сельскому хозяйству» (Москва, 2006), Международных конференциях МГУП «Природообуст-ройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России» в 2005 и «Роль природообустройст-ва в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» 2006 годах, 2-й и 3-й Всероссийских конференциях молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» (Коломна, ФГНУ ВНИИ «Радуга», в 2005 и 2006 годах), семинаре Департамента обустройства земель и водных объектов Сельскохозяйственного университета штата Пенджаб (Индия) в 2007 году. По теме диссертации опубликовано 5 работ, материалы использованы при написании учебного пособия «Природно-техногенные комплексы природообустройства».

Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Корнеев, Илья Викторович

Выводы по главе

1. Расчеты водного режима катены до и после мелиорации показывают, что возвышенные фации в целом находятся в условиях дефицита влаги (что не исключает периодического переувлажнения корнеобитаемого слоя, особенно при затяжных дождях), склоновые фации испытывают переувлажнение, морфологическим признаком которого является мозаичное оглеение иллювиального горизонта, обнаруженное автором при описании почвенного профиля.

2. На основе литературных рекомендаций отметим, что для элювиальных фаций с учетом экологических ограничений можно рекомендовать глубокое мелиоративное рыхление на фоне дренажа (закрытыми собирателями или кротовым дренажем), особое внимание требуется землям в нижней трети склона, которые нуждаются в оптимизации водного режима. Рыхление нежелательно, поскольку может усилиться аккумуляция стока и оглеение, избежать этого поможет дренаж. Рекомендуем применять биологические способы мелиорации, а именно выращивание трав с мощной глубокой корневой системой, а также создание и стимулирование сообществ дождевых червей.

3. Результатом мероприятий должна стать выраженная водопрочная структура трещиноватого иллювиального горизонта, величины эффективного коэффициента фильтрации порядка 1,5.2,5 м/сут, плотность червороин и корневых ходов на глубине 60.100 см порядка 150.200 шт/м .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для изучения влияния водопроницаемости иллювиального горизонта на водный режим были проанализированы данные о почвообразовательном процессе дерново-подзолистых почв, которые широко распространены в Нечерноземной зоне России и являются характерными для элювиальных фаций. На участке исследований почвы подстилаются покровным суглинками на морене Московского оледенения, первоначально структурированной криогенными процессами. Почвы имеют типичный профиль с хорошо обособленным дерновым гумусным горизонтом, маломощным элювиальным горизонтом, переходным языковатым суглинистым горизонтом и иллювиальным горизонтом, образовавшимся на покровных моренных суглинках.

2. Слабопроницаемый иллювиальный горизонт выполняет функцию локального водоупора, активно управляющего потоками влаги в почве. Развитая структура и макропоры (трещины, корневые ходы, червороины) иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв создают из слабопроницаемого слоя активную среду, которая снижает промываемость верхних горизонтов, задерживая в них влагу, а обильные инфильтрационные потоки перераспределяет по глубине, не допуская чрезмерного переувлажнения верхних горизонтов.

3. Выявлены два механизма инфильтрации и влагопереноса в поровом пространстве иллювиального горизонта В дерново-подзолистых почв: при безнапорном впитывании влагоперенос происходит в микропористых блоках, их водопроницаемость предложено характеризовать матричным коэффициентом фильтрации; при напорном впитывании влагоперенос происходит как микропористых блоках, так и в макропорах, водопроницаемость при этом предложено характеризовать эффективным коэффициентом фильтрации.

4. Матричный коэффициент фильтрации предложено определять в эксперименте по безнапорному впитыванию, например, при малоинтенсивном дождевании днища шурфа, вскрывающего кровлю иллювиального горизонта В, фиксируя в ходе эксперимента фиксируют время начала поверхностного стока (появления первых луж) на горизонтальной площадке. Для рассмотренных почв получена средняя величина матричного коэффициента фильтрации иллювиального горизонта 0,09 м/сут при коэффициенте вариации 0,6.

5. Эффективный коэффициент фильтрации предложено определять в эксперименте по напорному впитыванию, например, при наливе в одноколь-цевой инфильтрометр при переменном уровне воды по усовершенствованной методике. Нами апробирована и уточнена расчетная формула, учитывающая боковое растекание впитавшейся воды, геометрию кольца и его врезку в почву. Можно применять однокольцевой инфильтрометр диаметром 20.30 см, высотой 20 см, врезаемый в почву на 2.4 см, с начальным слоем воды 160. 170 мм. По результатам обработки 31 налива в иллювиальный горизонт получены величины эффективного коэффициента фильтрации в диапазоне от 0,03 м/сут до 2,91 м/сут при средней величине 0,89 м/сут и коэффициенте вариации 0,90. Таким образом, водопроницаемость иллювиального горизонта В дерново-подзолистой почвы на рассмотренном участке возвышенной фации при напорном впитывании на порядок больше водопроницаемости при безнапорном впитывании.

6. Установлена зависимость (с коэффициентом корреляции 0,79) эффективного коэффициента фильтрации от количества ходов дождевых червей, показывающая закономерный рост водопроницаемости до 1,5 - 2,5 м/сут при л возрастании количества червороин до 150 - 200 шт/м .

7. Анализ эмпирической кривой обеспеченности величин эффективного коэффициента фильтрации показал, что при обеспеченности 80% и более этот ряд схож с величинами матричного коэффициента фильтрации. Причиной этого может быть случайная вариация макропористости горизонта в масштабах поля с характерными размерами фильтрационных неоднородно-стей 20 см (в которых макропоры почти или полностью отсутствуют) и суммарной площадью неоднородностей порядка 20% площади поля с генетически однородным иллювиальным моренным горизонтом В.

8. В результате двухлетнего эксперимента in situ по восстановлению разрушенного 5-см слоя иллювиального горизонта обнаружено, что он освоен за дождевыми червями (до 30 шт/м червороин). Полного восстановления структуры горизонта за это время не происходит. Водопроницаемость при напорном впитывании из кольца характеризуется величиной коэффициента фильтрации 0,05 м/сут (в кольце без червороин). По-видимому, для полного восстановления структуры и макропористости горизонта двух лет недостаточно.

9. Разработана процедура расчета верховодки с учетом вариации по площади матричного коэффициента фильтрации и фактических интенсивно-стей осадков за дождливые периоды. Сделаны выводы о вероятности появления верховодки на возвышенных фациях Дубнинского ландшафта: за 100 лет возможно 230 случаев верховодки разной продолжительности на 5% площади поля в слое 0-50 см, 22 случая на 15% площади, 3 случая на 25% и 1 случай на 50% площади поля.

10. Расчеты водного режима катены до и после мелиорации показывают, что возвышенные фации в целом находятся в условиях дефицита влаги (что не исключает периодического переувлажнения корнеобитаемого слоя, особенно при затяжных дождях), склоновые фации испытывают переувлажнение, морфологическим признаком которого является мозаичное оглеение иллювиального горизонта, обнаруженное автором при описании почвенного профиля. Использованная модель позволяет рекомендовать мелиоративные воздействия и оценивать продуктивность сельскохозяйственных культур, а также экологические последствия мелиорации.

11. Проведенный анализ литературных данных об агромелиоративных мероприятиях позволил рекомендовать глубокое мелиоративное рыхление на фоне дренажа на элювиальных фациях с дерново-подзолистыми почвами для снижения негативного влияния периодического переувлажнения пахотного слоя. В качестве дренажа может быть рекомендован кротовый с глубиной заложения до 1 м. На этих участках перспективными являются биологические способы мелиорации (выращивание трав с мощной глубокой корневой системой, а также создание и стимулирование сообществ дождевых червей). Результатом мероприятий должна стать выраженная водопрочная структура трещиноватого иллювиального горизонта, величины эффективного коэффициента фильтрации порядка 1,5.2,5 м/сут, плотность червороин и корневых л ходов на глубине 60.100 см порядка 150.200 шт/м .

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Корнеев, Илья Викторович, Москва

1. Аверьянов С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель. - М.: Колос, 1978

2. Аверьянов С.Ф. Об осушении низинных болот // Научные записки МИИВХ. Т.19., 1957

3. Аверьянов С.Ф., Бердышев В.Д. Основные научные проблемы осушения земель // Вестник с.-х. науки, 1969, №1

4. Аверьянов С.Ф., Голованов А.И., Никольский Ю.Н. Расчет водного режима мелиорируемых земель // Гидротехника и мелиорация, 1974, № 3

5. Агроклиматический справочник по Московской области. М.: Московский рабочий, 1967

6. Агромелиоративные мероприятия при длительной эксплуатации дренажа и экологической реабилитации техногенно загрязненных земель гумидной зоны / Гулюк Г.Г. М.: Изд-во МГУ, 2004.

7. Айдаров И.П., Голованов А.И. Мелиоративный режим орошаемых земель и пути его улучшения // Гидротехника и мелиорация, 1986, №8

8. Айдаров И.П., Голованов А.И., Никольский Ю.Н. Оптимизация мелиора- тивных режимов орошаемых-и осушаемых земель (рекомендации). М.:1. Агропромиздат, 1990

9. Алексанкин A.B., Дружинин Н.И. Мелиорация земель в Нечерноземной зоне РСФСР. М.: Колос, 1980.

10. Ю.Аравин В.И., Нумеров С.Н. Фильтрационные расчеты гидротехнических сооружений. М.: Стройиздат,1948

11. Атлас расчетных гидрологических карт и номограмм. //Приложение 1 к «Пособию по определению расчетных гидрологических характеристик. -JL: Гидрометеоиздат, 1986.

12. Бадов В.В. Основные этапы развития и современные представления об инфильтрации из шурфов. Советская геология, 1975, №4

13. Базыкина Г.С Элементы водного режима и водно-физические свойства дерново-подзолистых почв Московской области под лесом, пашней и залежью // Почвоведение, 2004, № 3

14. Бальчюнас А. Кротование минеральных тяжелых почв // Бюллетень ЦБНТИ Минводхоза СССР. -М.: 1976, № 10

15. Богушевский A.A., Шабанов В.В. Исследования по комплексным мелио-рациям в проблемной лаборатории МГМИ (1972-1982 гг.). // Сборник трудов.- "Теория и практика комплексного мелиоративного регулирования".-М.: МГМИ, 1983

16. Бондарев А. Г. Структура дерново-подзолистых почв и опыт ее улучшения с помощью полимеров // Почвоведение, 1965, №7

17. Брудастов А.Д. Осушение минеральных и болотных земель. М.: Сель-хозгиз, 1934.

18. Брудастов А.Д. Осушение минеральных и болотных земель. 4-е изд. М.: Сельхозгиз, 1955

19. Водяницкий Ю.Н. Использование соединений железа для оструктурива-ния почв // Почвоведение, 1985, №12

20. Геология СССР. Центр Европейской части СССР. М.: Недра, 1971

21. Гидродинамические и физико-химические свойства горных пород/Под ред. H.H. Веригина. М., Недра, 1977.

22. Гиляров М.С. Особенности почвы как среды обитания и ее значение в эволюции насекомых. M.-JL: Изд. АН СССР, 1949.23,Голованов А.И. Мелиорация ландшафтов // Мелиорация и водное хозяйство, 1993, №3

23. Голованов А.И. О целях и сущности мелиорации земель // Вестник сельскохозяйственной науки, 1991, № 12

24. Голованов А.И. Оптимизация режимов орошения черноземов // Почвоведение, 1993, №6

25. Голованов А.И. Особенности осушения пойменных болот. Дисс.канд.техн.наук. -М.: МГМИ, 1965

26. Голованов А.И. Прогноз водно-солевого режима и расчет дренажа на орошаемых землях. Дисс.докт. техн. наук, М.: МГМИ, 1975

27. Голованов А.И. Расчет впитывания влаги в почву при неглубоких грунтовых водах // Тр. МГМИ, том 65, М., 1981

28. Голованов А.И., Кабанов А.Н., Мысков Ю.М. Влияние изменчивости коэффициента фильтрации на понижение уровня грунтовых вод дренажем // Труды МГМИ. Том 36. М., 1974

29. Голованов А.И., Караев B.B. Способ учета неравномерности распределения осадков при проектировании осушительных систем // Труды МГМИ, «Комплексные мелиорации». М., 1986

30. Голованов А.И., Новиков О.С. Математическая модель переноса влаги и растворов солей в почвах на орошаемых землях // Труды МГМИ, т. 36, -М, 1974

31. Голованов А.И., Паласиос О., Взаимодействие между почвенными и грунтовыми водами // Труды МГМИ, «Сельскохозяйственные мелиорации», т. 63,-М., 1979

32. Голованов А.И., Сорокин P.A., Определение достоковых поливных норм при дождевании. // «Природообустройство и рациональное природопользование необходимые условия социально-экономического развития России».-М.: МГУП, 2005

33. ГОСТ 23278-78 «Грунты. Методы полевых испытаний проницаемости».

34. Градусов Б.П., Горбунов Н.И., Травникова JI.C. Образование и свойства вермикулитов в связи с их использованием в сельском хозяйстве // Почвоведение. 1964. № 11

35. Изотермическое передвижение влаги в зоне аэрации / Под ред. С.Ф. Аверьянова. Д., Гидрометеоиздат, 1972

36. Карпенко Н.П., Повышение экологической безопасности функционирования техно-природных систем. Дисс.докт. техн. наук, М.: ВНИИГиМ, 2006

37. Кац Д.М., Пашковский И.С. Мелиоративная гидрогеология. М.: Агропромиздат, 1988

38. Кизяев Б.М., Маммаев З.М. Культуртехнические мелиорации: технологии и машины. М.: «Ассоциация Экост», 2003

39. Кирейчева JI.B., Решеткина Н.М. Концепция создания устойчивых мелиорированных агроландшафтов. М.: ВНИИГиМ, 1997

40. Константинов А.Р. Испарение в природе. -JI.: Гидрометеоиздат. 1968

41. Корнеев И.В. Расчет верховодки в дерново-подзолистых почвах // Мелиорация и водное хозяйство, 2007, №2

42. Костяков А.Н. К динамике коэффициента впитывания воды в почву и необходимость динамического подхода в целях мелиорации // Почвоведение, 1932, №3

43. Костяков А.Н. Основы мелиорации. Учебник. Изд. 6-е, доп. и переработ. -М.: Сельхозгиз, 1960

44. Кузнецова И.В., Виноградова Г.Б. Влияние плотности иллювиального горизонта дерново-подзолистых почв на доступность воды растениям // Почвоведение, 1984, №2

45. Кузнецова И.В., Тихонравова П.И. О дифференциальной порозности и подвижности влаги в иллювиальных горизонтах дерново-подзолистых почв // Науч. труды Почвенного ин-та им. В.В.Докучаева, М., 1978

46. Ландшафтоведение. Учебник. / Под ред. А.И. Голованова. М.: Колос, 2005

47. Ландшафты Московской области и их современное состояние. / Под ред. И.И. Мамай. Смоленск: Изд-во СГУ, 1997

48. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М. Гостехиздат, 1952

49. Манукьян Д.А., Галибин Н.С. Изучение процессов солепереноса с помощью радиоиндикационных методов // «Коллекторно-дренажные системы в аридной зоне». М., ВНИИГиМ, 1986

50. Марков Е.С. Мелиорация пойм Нечерноземной зоны. М.: Колос, 1973.

51. Марков Е.С. Проблемы мелиорации Нечерноземной зоны РСФСР // Труды МГМИ. Том 46, Вып. "Сельскохозяйственные мелиорации".-М., 1977

52. Маслов Б.С. О некоторых последствиях осушительных мелиораций // Гидротехника и мелиорация, 1971, № 4

53. Маслов Б.С. Режим грунтовых вод переувлажненных земель и его регулирование. -М.: Колос, 1970

54. Маслов Б.С., Минаев И.В. Осушительные системы XXI века. М.: Рос-сел ьхозакадемия, 1999

55. Мелиорация и водное хозяйство. 3. Осушение: Справочник / Под ред. Б.С. Маслова. М.: Агропромиздат, 1985

56. Мосолова А.И, Уткаева В.Ф. Применение полимерных материалов для повышения фильтрационной способности почвогрунтов // Вестник Московского университета. Сер. Почвоведение, 1976, №2

57. Нерпин C.B., Чудновский А.Ф. Физика почвы. М.: Наука, 1967

58. Никитенков Б.Ф. Моделирование и модельный эксперимент в сельскохозяйственных мелиорациях. // Методы полевых исследований по осушительным мелиорациям / ВАСХН, М.: 1983

59. Опытно-фильтрационные работы / Под ред. В.М. Шестакова и Д.Н. Баш-катова. М., Недра, 197476.0сновы природообустройства. Учебник / Под ред. А.И. Голованова. М.: Колос, 2001

60. Перель. Т.С. Распространение и закономерности распределения дождевых червей фауны СССР. М.: Наука, 1979

61. Плюснин И.И., Голованов А.И. Мелиоративное почвоведение. Учебник. -М.: Колос, 1983

62. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. ГИТТЛ, М., 1952

63. Пономарева С.И. Роль жизнедеятельности дождевых червей в создании прочной структуры в травопольных севооборотах // Почвоведение, 1950, №7

64. Почвы Московской области и их использование / Коллектив авторов. В 2-х томах. М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 2002

65. Пчелкин В.В. Обоснование мелиоративного режима на осушаемых пойменных землях. -М.: КолосС, 2003

66. Пчелкин В.В. Обоснование мелиоративного режима осушаемых пойменных земель. Дисс.докт. техн. наук, М.: МГУП, 2003

67. Разработка методов управления водным, воздушным, тепловым и пищевым режимами мелиорируемых земель в пойме р. Дубны («Загорский»). Заключительный отчет НИС МГМИ. № Гос. регистр. 0.1826038593. М., 1984.

68. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990

69. Роде А.А. О внутрипочвенном стоке и его роли в гидрологическом режиме рек и почв. Д., Гидрометеоиздат, 1955

70. Роде А.А. Почвообразовательный процесс. M.-JL: Изд-во АН СССР, 1937

71. Роде А.А. Учение о почвенной влаге. М.: Гидрометеоиздат, 1965

72. Розин В.А. Осушение тяжелых минеральных избыточно увлажненных почв с применением агромелиоративных мероприятий // Труды СевНИИ-ГиМа. JL: 1957. Вып. 12

73. Розов Л.П. Мелиоративное почвоведение. Учебник. Изд. 2-е, исправленное и дополненное. -М.: Сельхозгиз, 1956

74. Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации. Учебник / Под ред. Маркова Е.С. М.: Колос, 1981

75. Смирнова И.В. Структура порового пространства дерново-подзолистых и серых лесных почв : Дис. канд. биол. наук : 06.01.03 М., 2004

76. Файбишенко Б.А. Водно-солевой режим грунтов при орошении. М., Аг-ропромиздат, 1986

77. Чекановская О.В. Дождевые черви и почвообразование. М.: АН СССР,1960

78. Шеин Е.В. Курс физики почв. Учебник М.: Изд-во МГУ, 2005

79. Шестаков В.М., Пашковский И.С., Сойфёр A.M. Гидрогеологические исследования на орошаемых территориях. М.: Недра, 1982

80. Эколого-гидрологические основы глубокого мелиоративного рыхления почв / Под ред. Ф.Р. Зайдельмана. М.: МГУ, 1986

81. Bagarello V., М. Iovino, and D. Elrick, A Simplified Falling-Head Technique for Rapid Determination of Field-Saturated Hydraulic Conductivity, Soil Sci. Soc. Am. J. 68 (1) 66.2004

82. Bouwer, H. Intake rate: Cylinder infiltrometer. p. 825-844. In A. Klute (ed.) Methods of soil analysis. Part 1. 2nd ed. Agron. Monog. 9. ASA and SSSA, Madison, WI. 1986.

83. Brutsaert, W. and A.I. El-Kadi. Parameters of the Philip infiltration equation. Advances in Water Resources 9(l):16-23.1986

84. Burgy R.H., Luthin I.H., A test of the single and double ring types of infil-trometers. Trans. Amer. Geoph. Union, v.37,1956, p.189-191

85. Elrick, D.E., G.W. Parkin, W.D. Reynolds, and DJ. Fallow. Analysis of early-time and steady-state single ring infiltration under falling head conditions. Water Resour. Res. 31:1883-1893.1995.

86. Jarvis, NJ. MACRO—A Model of Water Movement and Solute Transport in Macroporous Soils. Reports and Dissert. 9, Dept. Soil Sci., Swedish Univ. Agric. Sci., Uppsala, Sweden. 1991.

87. Philip, J.R. An infiltration equation with physical significance. Soil Sci. 77, 153-157. 1954.

88. Reynolds, W.D., and D.E. Elrick. Ponded infiltration from a single ring: I. Analysis of steady state flow. Soil Sci. Soc. Am. J. 54:1233-1241.1990.

89. Wu, L., and L. Pan. A generalized solution to infiltration from single-ring infiltrometers by scaling. Soil Sci. Soc. Am. J. 61:1318-1322.1997.

90. Wu, L., L. Pan, M. Roberson, and P.J. Shouse. Numerical evaluation of ring-infiltrometers under various soil conditions. Soil Sci. 162:771-777.1997.

91. Wu, L., Pan, L., Mitchell, J. and B. Sanden. Measuring Saturated Hydraulic Conductivity using a Generalized Solution for Single-Ring Infiltrometers. Published in Soil Sci. Soc. Am. J. 63:788-792,1999.

Информация о работе

Корнеев, Илья Викторович
кандидата технических наук
Москва, 2007
ВАК 06.01.02

Диссертация

Влияние водопроницаемости иллювиального горизонта на водный режим дренируемых дерново-подзолистых почв - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы