Методологические основы нормирования

При этом вековой опыт мелиорации сельскохозяйственных земель показывают, что человечество для создания оптимальных условий культурных растений агроланд-шафтных систем, несмотря на ограниченность водных ресурсов в зонах орошаемого земледелия, с целью получения рекордных и потенциальных урожаев соответствующих энергетических ресурсов природной системы, постоянно повышали нормы водопотребности орошаемых земель и тем самым, снижая их экологическую эффективность.

Таким образом, несмотря, что по закону природы органических веществ формируются ландшафтные и агроландшафтные системы только за счет транспирации с листовой поверхности растений, человечество не стремилось в своей деятельности делать непосредственные попытки к снижению непродуктивных частей суммарного водопотребления, то есть физического испарения с поверхности почвы, а наоборот занималось вопросами увеличения их под предлогом регулирования водного, солевого, теплового и пищевого режимов почвы во всех этапах развития мелиорации сельскохозяйственных земель.

На основе закона пирамиды энергии Р. Линдемана можно сформировать пирамиды нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий, то есть агроландшафтов, показывающие изменения затратов воды для формирования биологических масс культурных растений в технологических циклах регулирования и управления их основных факторов жизнедеятельности: транспирации растительного покрова, экологической водопотребности сельскохозяйственных угодий, биологической водопотребности сельскохозяйственных культур, почвенно-мелиоративной водопотребности агроландшафтов, обеспечивающих регулирование мелиоративного режима почвы [1].

Урожай сельскохозяйственных культур в конечном итоге формируется в результате продукционного процесса (ПП), представляющего собой совокупность сложных физико-химических реакций, используемых растительным организмом для образования биомассы, то есть на основе транспирации растительного покрова.

Скорость транспирации (v_m) можно определить по уравнению [2]

где K_m – транспирационный коэффициент; V – объем образовавшейся на какой-либо площади сухой ткани растений; T – время вегетационного периода; S – площадь транспирации.

Большой интерес для дальнейшего совершенствования технологии орошения сельскохозяйственных культур вызывают структуры самого суммарного водопотребления орошаемых земель. Суммарное водопотребление орошаемых земель (E) состоит из транспирации с листовой поверхности растений (Е^t_not) и физического испарения (Е^ф_not) с поверхности почвы, то есть

В естественных условиях транспирация сочетается с прямым (физическим) испарением воды из почвы. Суммарное испарение, или эвапотранспирация, зависит как от климатических условий, так и от состава почвенного покрова и растительности. С этой целью для каждого месяца теплого периода по известной средней температуре воздуха (t^оС) и относительной влажности воздуха (a, %) определяется потенциальное (при оптимальной влагообеспеченности) суммарное испарение (эвапотранспирация) (Е_not) по формуле Н.Н. Иванова

где K_б – биологический коэффициент, учитывающий особенность конкретного ценоза.

Как известно, потенциальная эвапотранспирация подразделялась на потенциальное испарение с поверхности почвы (Е^ф_not) и потенциальную транспирацию (Е^t_not) пропорционально затененности почвы растительным покровом (f_p), которая изменялась по времени [3]

Е^ф_not = (1 - f_p) · E_not; E^t_not = f_p · E_not.

Теоретическое обоснование экологически безопасного применения орошения может быть проведено на основе закона сохранения энергии, так как рассмотрение процесса влагообмена между деятельной поверхностью участка суши и воздухом немыслимо без связи с процессом теплообмена. Как любой физический процесс изменений и превращений, процесс теплообмена в конкретной точке пространства за известный промежуток времени. характеризуется балансом прихода и расхода энергии, иначе говоря, законом сохранения энергии [4].

На основе принципа Ле-Шателье И.П. Айдаров [5], Ж.С. Мустафаев [6] и Г.А. Сенчуков [7] предложили понятие «почвенно-экологические приемлемые нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий». При разработке методики экологического нормирования водопотребности сельскохозяйственных культур использован принцип энергетической сбалансированности тепла, влаги и питательных веществ с учетом природных режимов, позволяющих обеспечить сохранение экологически благоприятного энергетического режима в почве, зонах аэрации и насыщение грунтовыми водами агроландшафтов.

С этой целью И.П. Айдаров [5], Ж.С. Мустафаев [6] и Г.А. Сенчуков [7] использовали комплексный гидротермический показатель () М.И. Будыко [8], представляющий собой отношение радиационного баланса () к затратам тепла на испарение выпавших осадков (LO_c)

Преимущества этого показателя перед другими очевидно: во-первых, он характеризует условия тепло- и влагообеспеченности растений, то есть биологические процессы; во-вторых, определяет в значительной степени условия формирования почвенных, гидрогеологических и геохимических условий и, в-третьих, позволяет учесть характер и интенсивность антропогенной деятельности.

Многолетние исследования в разных почвенно-климатических зонах показали, что при разработке биоклиматического метода определения суммарного водопотребления различных культур задача сводится не к поиску универсальных эмпирических зависимостей для расчета испаряемости, а к установлению и обоснованию коэффициентов, учитывающих биологическую роль растений в расходовании воды сельскохозяйственным полем в конкретных гидротермических условиях [9, 10].

Практически для определения суммарного водопотребления можно использовать любое эмпирическое уравнение, характеризующее испаряемость, если известны, или представляется возможным установить биологические и микроклиматические коэффициенты, нивелирующие количественные расхождения между фактическим водопотреблением (E_v) оптимально орошаемой культуры и испаряемостью (E_o). Главное, чтобы это уравнение было достаточно простым, а составляющие его элементы хорошо изучены.

В методике и расчетных моделях нормирования орошения на основе биоклиматического метода в качестве расчетной зависимости для определения испаряемости (E_o) используется модифицированная формула Н.Н. Иванова, которая имеет следующий вид [15]

E_o = K_t · d· f(v),

где K_t – энергетический фактор испарения, мм/мб; – дефицит влажности воздуха, мб; f(v) – функция, учитываю­щая влияние скорости ветра на испарение.

Дефицит водопотребления или оросительная норма сельскохозяйственных культур рассчитывается по уравнению водного баланса, которое в упрощенном виде имеет следующий вид

O_p = E_v = E_v – W_a - O_эф - V_г,

где E_v – суммарное водопотребление культуры за вегетационный период; W_a – активные запасы почвенной влаги на начало вегетационного периода; О_эф – эффективные атмосферные осадки за вегетационный период; V_г – капиллярно используемые грунтовые воды за вегетационный период.

Таким образом, существующие методы нормирования водопотребности сельскохозяйственных культур, в основном учитывают биологические особенности растений и климатические условия зоны орошения, с целью получения высоких и относительно устойчивых урожаев. Однако в целом стремление к повышению урожайности сельскохозяйственных растений за счет создания комфортных водных режимов и одновременно необходимость повышения плодородия почвы и охраны природы вызывают противоречивые потребности регулирования водного режима почвы. В результате вместо естественных серо-бурых почв (= 6,78…7,20) на орошаемых землях образовались лугово-болотные почвы ( = 0,60…0,70).

Вследствие затрат оросительной воды, необходимых для поддержания благоприятного водно-солевого режима почв, возрастала по мере увеличения ее минерализация. Закономерность увеличения оросительной нормы (О_р) по мере роста минерализации оросительной воды (С_г) можно раскрыть, преобразовав формулу С.Ф.

Аверьянова [11].

где C_г = С_г/С_доп; С_о = С_о /С_доп;  =/ ·m ; С_о – минерализация оросительной воды; С_г – минерализация грунтовых вод; С_доп – допустимая минерализация почвенного раствора; – глубина грунтовых вод; – параметр гидродисперсии; m – пористость почвы.

Аналогичная зависимость для определения почвенно-мелиоративной нормы орошения земель предложена сотрудниками Казахского научно-исследовательского института водного хозяйства [12]

где О^м_р – оросительная норма, обеспечивающая мелиоративное благополучие орошаемых земель, м³/га; О_р – оросительная норма (нетто) при благоприятных почвенно-мелиоративных условиях; Е – суммарное водопотребление; К_г – коэффициент, учитывающий долю возможного использования грунтовых вод в водопотреблении сельскохозяйственных культур; К_с – коэффициент, учитывающий размеры допустимого участия грунтовых вод в субирригации при изменении их минерализации; К_м – мелиоративный коэффициент, учитывающий степень засоления и солеотдачи почв зоны аэрации.

При этом обобщенный материал проектных и эксплуатационных организаций по динамике водно-солевого режима орошаемых земель свидетельствует о ряде исходных методических и теоретических упущений в практике развития орошения на засоленных и склонных к засолению землях^* [13].

Эти данные убедительно показывают, что, несмотря на усилия ученых, проектировщиков и эксплуатационников по выполнению всех, казалось бы, исчерпывающих указаний и использование теоретических разработок С.Ф. Аверьянова и других, поддержание промывного режима орошения и применение практически ежегодных на засоленных почвах невегетационных поливов на фоне эффективно работающего дренажа (вертикального и горизонтального) и других рекомендуемых мероприятий, добиться устойчивой динамики водно-солевого режима почв в региональном масштабе не удалось.

Таким образом, ретроспективный анализ научного обоснования нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий показывает, что с целью получения рекордных урожаев от сельскохозяйственных культур за счет создания комфортных условий для растений, как объектов мелиорации, науки и практики, нарушили основные принципы водосбережений в системе природопользования, то есть вместе того, чтобы искать пути ликвидации физического испарения в составе суммарного водопотребления, всегда стремились к их увеличению, оговорками комплексного регулирования основных факторов их среды обитаний.

Наука – есть система упорядоченных знаний, истинность которых проверяется и постоянно уточняется в ходе общественной практики и мыследеятельности человечества. Она базируются на познании и правильном использовании основных законов Природы, то есть знание этих законов в сочетании с информационным обеспечением лежит в основе совершенствования методологических принципов норм орошения в области природопользования.

Поскольку физические факторы служат неотъемлемыми компонентами природной среды, в которой происходила эволюция, то есть ландшафтные системы в большей или

_____________

Агроландшафт и в том числе почва в условиях хозяйственной деятельности экологически неустойчивы и поэтому требуется разработка комплекса управляющих мероприятий с целью оптимизации их функционирования: перевод в режим динамически устойчивого развития с набором известных по способу, методу, интенсивности и времени коррегирующих воздействий. Успех решения практических и теоретических задач в любой сфере деятельности и в том числе мелиорации сельскохозяйственных земель в значительной степени зависит от правильности выбора методологии, принципа и объекта хозяйственной деятельности.

Основным объектом воздействия и основным средством производства является почва, которая на любом ранге ландшафтов выступает в качестве основной связующей и стабилизирующей компоненты геосистемы [14…16]. Одновременно она совместно с растительностью служит барьером тотальной денудации, соизмеримой с интенсивностью неотектонических процессов. Вследствие того, что почва находится на контакте трех сред: атмосферы, литосферы и гидросферы, здесь протекают биогеохимические реакции и превращения, характеризующиеся наибольшей активностью, многообразием и утонченной сложностью, а также происходит синтез соединений, нигде более не встречающихся. Кроме того, почвенный покров выступает в роли первичного аккумулятора и зачастую геохимического барьера для разнообразных загрязнителей, поступающих в ландшафты.

При оценке почв как объектов мелиорации необходимо учитывать их разнообразие, пространственное положение и факторы почвообразования.

Данные обстоятельства предопределяют необходимость введения нового понятия – нижний порог предельно допустимого уровня нормы водопотребности (О_р^ниж) – транспирации растений, обеспечивающих формирование биологических масс (Т) и верхний предельно допустимого уровня нормы водопотребности (О_р^верх) – экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий (О_р^э), обеспечивающих целенаправленное регулирование и управление почвообразовательными процессами на орошаемых землях.

Таким образом, экологическое мировоззрение открывает широкие возможности для разработки принципиально новых путей развития мелиораций сельскохозяйственных земель, предназначенных для создания благоприятных условий жизнедеятельности человека и среды его обитания и экологических устойчивых и стабильных агроландшафтов.

1. 
   Айдаров, И.П. Комплексное обустройство земель [Текст]/ Айдаров И.П.. – М., 2007. 208 с.
   
2. 
   Мустафаев, Ж.С. Принципы создания экологически безопасных ресурсовсберегающих технологии орошения агроландшафтов (Аналитический обзор) [Текст]/ . Мустафаев Ж.С., Рябцев А.Д., Козыкеева А.Т., Кененбаев Т.С., Сабденалиев А.М. – Тараз, 2008. 36 с.
   
3. 
   Горев, Л.Н. Мелиоративная гидрохимия [Текст]/ Горев Л.Н., Пелешенко В.И. – Киев: Вища школа, 1984. 256 с.
   
4. 
   Айдаров, И.П. Регулирование водно-солевого и питательного режимов орошаемых земель [Текст]/. – М.: Агропромиздат, 1985. 304 с.
   
5. 
   Мустафаев, Ж.С. Почвенно-экологическое обоснование мелиорации сельскохозяйственных земель в Казахстане [Текст]/ Мустафаев Ж.С.. – Алматы: Гылым, 1997. 358 с.
   
6. 
   Сенчуков, Г.А. Методика обоснования экологических норм водопотребности сельскохозяйственных угодий[Текст]/ Сенчуков Г.А., Дудникова Л.Г., Бондаренко О.Е., Марков Ю.А. //Мелиорация и водное хозяйство, 1995. №6. С. 32-33.
   
7. 
   Будыко, М.И. Испарение в естественных условиях [Текст] /Будыко М.И. – Л.: Гидрометоиздат, 1948. 136 с.
   
8. 
   Данильчено, Н.В. Биоклиматическое обоснование суммарного водопотребления и оросительных норм [Текст]/ Данильчено Н.В. //Мелиорация и водное хозяйство, 1999. № 4. С. 25-29.
   
9. 
   Мустафаев, Ж.С. Теоретическое обоснование почвенно-экологических норм орошения [Текст]/ Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т., Атшабаров Н.Б. //Водное хозяйство Казахстана, 2004. № 4. С. 8-12.
   
10. 
    Аверьянов, С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель [Текст] /Аверьянов С.Ф. – М.: Колос, 1978. 288 с.
    
11. 
    Оросительные нормы сельскохозяйственных культур в Казахстане [Текст]. – Джамбул, 1981. 78 с.
    
12. 
    Решеткина, Н.М. Борьба с засолением земель и экологический кризис в Приаралье [Текст]/ Решеткина Н.М., Икрамов Р.К. //Мелиорация и водное хозяйство, 2000. № 1. С. 33-36.