Оросительная и осушительная мелиорация почв

Антропогенное воздействие на почву проявляется при оросительной мелиорации. Наблюдаются следующие процессы деградации почв:

1. Усиленная инфильтрация поливной воды увеличивает миграцию веществ и приводит к подъему уровня грунтовых вод.

2. Развитие ирригационной эрозии.

3. Ухудшение агрофизических свойств, уплотнение почвы, коркообразование.

4. Деструктурирование, уменьшение водопрочности агрегатов.

5. Вторичное засоление и осолонцевание.

6. Ухудшение качества гумуса, усиление его подвижности. Дегумификация.

Выделяют несколько причин развития процессов деградации почв при орошении: природные, технологические, экономические. Среди природных причин можно назвать следующие: глинистый состав почвы, небольшое содержание гумуса, наличие обменного натрия и солей тяжелых металлов на небольшой глубине; слабая дренированность территорий, близкое залегание грунтовых вод; наличие в почве солевого, глеевого горизонтов. К технологическим причинам деградации почв относятся неправильная агротехника, (например, выворачивание на поверхность засоленных пластов), несовершенство оросительных систем и др. С большой скоростью процессы деградации почв происходят при поливах минерализованными или водами неудовлетворительного качества. Степень деградации почв различна, от слабой, практически не влияющей на функционирование почв и урожаи (снижение < 10%) до катастрофической (снижение урожая на 75-90%).

Ежегодно за земном шаре вследствие засоления выходит из оборота 200-300 тыс.га орошаемых земель. Засоление почвы – это накопление растворимых солей и обменного натрия в концентрациях, не допустимых для нормального роста и развития растений. Среди засоленных почв различают солончаковые с высокой концентрацией растворимых солей; солонцеватые, содержащие более 5-10% обменного натрия; солончаки и солонцы. Даже при слабом засолении урожайность кукурузы уменьшается на 40-50%, пшеницы - на 50-60%. Засоление почвы возможно при неправильной агротехнике, выворачивании на поверхность засоленных слоев, чрезмерной нагрузке скота на пастбищах. Причиной засоления почвы могут быть сами поливные воды, если они содержат повышенные концентрации растворимых солей. Часто засоление происходит вследствие обогащения почвы солями, которые содержатся в грунтовых водах. Одновременно с повышением уровня грунтовых вод происходит подъем влаги по капиллярам к поверхности почвы, где накапливаются соли по мере испарения воды в ней. Чем суше климат и тем тяжелее почва по механическому составу, тем в большей степени выражен этот процесс. При увеличенных нормах полива, потерях оросительной воды из каналов повышается уровень грунтовых вод. Следовательно, происходит вторичное засоление почв.

Один из факторов засоления - ветер. Ветер переносит соленую пыль в глубь континентов. Такое явление наблюдается в Приаралье, где ветром усиливается вынос солей и пыли с осушенного дна моря. Засоление почвы происходит иногда под влиянием галофитной растительности.

Для борьбы с вторичным засолением используются следующие мероприятия:

1. Дренаж территории с использованием труб, укладываемых на глубину 1,0-1,8 м с расстоянием между дренами от 5 до 15 м.

2. Использование внутрипочвенного, капельного, мелкодисперсного и импульсного орошения. В связи с малыми нормами орошения вероятность засоления уменьшается.

3. Бетонное экранирование русел магистральных каналов.

4. Промывка почвы пресными водами.

5. Создание лесных полос по каналам обеспечивает постоянство уровня грунтовых вод, т.к. деревья перехватывают и транспирируют фильтрующуюся воду.

На солонцеватых почвах степи и полупустыни рекомендуется гипсование, способствующее удалению солей натрия из почвы. На этих землях применяют трехярусную вспашку, при которой солонцовый горизонт перемешивается с карбонатным.

Меры восстановления и предотвращения деградации орошаемых почв следующие:

1. Рационализация водопользования (режим орошения в СНГ и сопредельных странах с нормами до 300 м³/ год). Увлажнение почвы исходя из расчетного слоя, в котором 85% корней, и в зависимости от фенофазы растений.

2. Противоэрозионные приемы: уменьшение диаметра капель искусственного дождя, предварительный полив малыми нормами, мульчирование поверхности соломой и др.

3. Техническое совершенствование оросительной техники, оросительных систем.

4. Применение набора научно-обоснованных приемов агротехники (щелевание, дискование и др.) и перенос части ранне-весенних обработок почвы (вызывающих уплотнение) на осенний период.

5. Меры для повышения устойчивости почв и улучшения структуры почв, содержания в них гумуса: применение удобрений, структурообразователей, мелиорантов, посев многолетних трав и запашка промежуточных культур и т.д.

6. Дренаж территории.

7. Промывка почв.

Последствия проведения осушительной мелиорации на почву многообразны. Это вид мелиорации влияет прежде всего на водно-физические, агрохимические свойства почвы. Мелиорация в большей степени влияет на почвы легкого механического состава (рыхлые супеси, связные и рыхлые пески), т.к. они обладают хорошими фильтрационными свойствами и слабой водоаккумулирующей способностью. Глинистые и суглинистые почвы обладают высокой водоудерживающей способностью, что препятствует отводу избыточной влаги даже при их непосредственном осушении.

При осушении торфяно-болотных почв улучшаются их водно-физические свойства, вследствие чего усиливается минерализация органического вещества и освобождаются питательные элементы, уменьшается кислотность почвенного раствора. Однако, в результате неправильного сельскохозяйственного использования осушенных торфяников происходит «сработка» торфа и получает развитие ветровая эрозия. Так, в Полесье под действием просадки, минерализации и дефляции ежегодно уменьшается слой торфа на 1 — 2 см. Потери торфа от ветровой эрозии при возделывании пропашных культур составляют 2—3 т/га, зерновых – около 1 т/га.

В результате осушительной мелиорации площадь торфяных болот сократилась в Великобритании на 50%, в Германии – на 61%, в Нидерландах – на 95%, в Дании – на 70%.

С понижением влажности и плотности торфа резко изменяется соотношение между его твердой, жидкой и газообразной фазами, что влечет изменение температурного режима. Тепловые свойства торфа увеличивают вероятность заморозков, их интенсивность и продолжительность. Так, на осушенных и освоенных болотах заморозки на 3 — 4⁰ ниже, чем на неосушенных. Кроме того, на этих территориях учащаются атмосферные засухи.

В результате осушительной мелиорации снижается уровень грунтовых вод. Это обусловлено уменьшением уровня воды в водоприемнике и резким уменьшением атмосферных осадков в период массового гидромелиоративного строительства. Например, в некоторых районах Украинского Полесья снизилось годовое количество осадков на 10-11%, количество засушливых дней увеличилось в 2 раза. Снижение уровня грунтовых вод на прилегающих территориях произошло в радиусе 1,5-10 км от объекта осушения, а по глубине залегания – до 1 м. При этом в результате уменьшения поверхностного стока и величины испарения может наблюдаться увеличение подземного стока до 10 раз. Возрастает общая минерализация воды за счет концентрации хлоридов и сульфатов.

Рациональное использование мелиорированных болотных и заболоченных комплексов означает, что:

1. торфяно-болотные почвы с мощностью торфа до 1 м нужно использовать под многолетние травы, долголетние сенокосы и пастбища;

2. торфяно-болотные почвы с мощностью торфа более 1 м использовать в зернотравяных севооборотах (многолетние травы должны занимать не менее 50 % посевных площадей), под луговые угодья;

3. мелиорированные песчаные и супесчаные почвы допускается использовать в качестве пашни при условии повышения плодородия почвы путем сидерации и применения химических средств;

4. глинистые и суглинистые мелиорированные почвы использовать, исходя из специализации и экономического состояния хозяйств;

5. сельскохозяйственное использование пойменных земель должно обеспечить не только сохранение и повышение их плодородия, но и предотвращение загрязнения речных вод удобрениями, пестицидами, тяжелыми металлами;

6. для предотвращения ветровой эрозии на торфяниках необходимо применять противоэрозионные мероприятия.

Рекультивация земель

Процесс восстановления нарушенных земель называется рекультивацией. Рекультивацию земель, нарушенных горными разработками, проводят в три этапа.

Первый этап – подготовительный. В этот этап обследуют земли, требующие рекультивации, устанавливают направление рекультивации, составляют технико-экономическое обоснование и проект рекультивации.

Второй этап – горнотехническая рекультивация, которая в зависимости от условий района может дополняться химической мелиорацией. Горнотехническую рекультивацию проводят предприятия, разрабатывающие полезные ископаемые. Горнотехническая рекультивация включает три стадии работ по формированию рельефа местности. Первая стадия- селективная выемка и складирование верхнего гумусированного слоя почвы и нетоксичных пород с последующим их использованием для рекультивации. Вторая стадия – формирование и планирование поверхности отвалов. Под них, в первую очередь, надо отводить выработанное пространство карьеров, овраги и балки. Участки для отвалов располагаются в местах, которые не будут использоваться для горных работ, и на других площадях, выведенных из сельскохозяйственного оборота. Это земли с низким плодородием. При содержании в грунтах более 20% токсичных пород в случае лесохозяйственного использования достаточно формирования отвалов и их разравнивания (позволяющего механизированно проводить посадки лесокультур и уход за ними). При сельскохозяйственном использовании отвалы разравнивают и выполаживают.

Третья стадия – формирование плодородного слоя путем возврата гумуссированного слоя. Если породы токсичны и соленосны, то их укладывают в основании отвалов, перекрывают экраном (слоем нетоксичных пород, проводят планировку и покрывают гумусированным слоем). При токсичности грунта более 40% проводят полную химическую мелиорацию путем внесения извести.

Третий этап восстановления нарушенных территорий – биологическая рекультивация. Нарушенные территории по физико-химическим свойствам и пригодности к биологическому освоению разделяют на три группы:

1 группа – потенциально плодородные грунты, пригодные для произрастания растений,

2 группа – грунты, малопригодные для растительности (следует использовать для облесения),

3 группа – фитотоксичные грунты, не пригодные для освоения без проведения химической мелиорации.

Методы биологической рекультивации различны в зависимости от зональных и хозяйственно-экономических условий. Известны два вида биологической рекультивации – лесная и сельскохозяйственная. Наиболее экономным видом освоения рекультивируемых земель считается их облесение. Поэтому в большинстве стран предпочтение отдается лесной рекультивации. В Беларуси преобладающим направлением рекультивации нарушенных ландшафтов в результате добычи песков и песчано-гравийных материалов является лесохозяйственное.

Для облесения пригодны почти все вскрышные породы. Перед облесением для накопления в верхнем слое органических веществ высевают люпин, донник, люцерну. Под многолетними травами в грунтах значительно активизируются биологические процессы. Посадку древесных пород производят двухлетними сеянцами для хвойных и однолетними для лиственных. Используют местные породы деревьев.

На нетоксичных вскрышных породах в густонаселенных районах проводят сельскохозяйственную рекультивацию. Сельскохозяйственное направление рекультивации является преобладающим в Беларуси для ландшафтов, нарушенных разработками глинистого сырья. Подготовка нарушенных территорий после горнотехнической рекультивации включает несколько стадий: известкование, рыхление на глубину до 60 см, внесение повышенных доз удобрений, посев злаково-бобовой травосмеси. Например, на черноземах Европы и России, можно выращивать любые культуры на отвалах, если слой плодородной почвы составляет 40-60 см.

Карьеры нерудных ископаемых при благоприятных гидрогеологических условиях заполняют водой и создают водохранилища. Здесь можно создавать зоны отдыха для жителей городов.

ЛЕКЦИЯ 11. РАСТИТЕЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ, ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА

Биологическое разнообразие

К ресурсам биосферы относятся биологические ресурсы. В результате естественного отбора за миллиарды лет появился новый ресурс планеты – биологическое разнообразие. Структурные уровни биологического разнообразия включают в себя:

- разнообразие организмов (как таксономическое – вид, род и т.д., так и типологическое - по определенным признакам);

- разнообразие сообществ;

- разнообразие территориальных сочетаний организмов, т.е. флор и фаун определенной территории;

- разнообразие экосистем и природных комплексов.

Часто под биологическим разнообразием понимают генетическое и видовое разнообразие. Генетическое разнообразие – это многообразие генетических свойств у особей одного вида. Видовое разнообразие – это число различных видов внутри сообщества организмов.

Биологическое разнообразие обеспечивает: непрерывность биосферы (на земле везде существуют живые организмы) и развитие жизни во времени; эффективность биогенных процессов в экосистеме; поддержание динамического равновесия и восстановление сообществ.

Биота регулирует состояние окружающей среды, что доказывается рядом факторов:

1. Выбросы неорганического углерода из земных недр в атмосферу с огромной точностью соответствуют содержанию органического углерода в осадочных породах, что обеспечивает практически постоянное содержание неорганического углерода в атмосфере в течение сотен миллионов лет.

2. Концентрации биогенных элементов (С, N, Р, О) в океане сформированы и поддерживаются биотой. Отношение С/N/Р/О₂ в океане совпадает с таким отношением при синтезе органического вещества.

3. Круговорот воды на суше также определяется биотой, т.к. 2/3 осадков связано с испарением воды на суше, в основном растительностью.

4. Не затронутая деятельностью человека биота океана поглощает избыток углекислого газа антропогенного происхождения, в то время как измененная человеком биота утратила эту способность.

5. Биотой океана поддерживается концентрация углекислого газа в океане в 3 раза меньше по сравнению с количеством углекислого газа при отсутствии биоты. Потеря неорганического углерода океаном в атмосферу компенсируется поступлением в океан органического углерода.

В настоящее время биологическое разнообразие сокращается. Это обусловлено неустойчивостью среды. Неустойчивость среды определяет тенденцию к:

1. упрощению структуры экосистем (часть видов оказывается излишней);

2. прерыванию сукцессий (виды заключительной климаксной стадии обречены на вымирание);

3. увеличению минимальных размеров популяции (в устойчивой среде небольшое число особей обеспечивает воспроизведение; возможна «плотная упаковка» видов, но в условиях кризисов малочисленная и неспособная к быстрому росту популяция может легко исчезнуть) Сукцессия – это последовательная смена биоценозов, возникающая на одной и той же территории.

Биологическое разнообразие Беларуси постоянно сокращается и трансформируется. На уровень биоразнообразия влияют две группы факторов: факторы, связанные с хозяйственной деятельностью человека, и факторы естественной угрозы.

К первой группе факторов относятся следующие:

- прямое антропогенное уничтожение видов. С территории Беларуси в результате охоты исчез тур;

- исчезновение и/или сокращение числа местообитаний, особенно специфических (низинных болот, пойм рек, высоковозрастных широколиственных лесов). Характерный пример – вертлявая камышевка, занесенная в Международную Красную книгу. 60% мировой ее популяции гнездится на низинных болотах в Полесье. В результате мелиорации около половины видов птиц, предпочитающих околоводноболотные местообитания, стали редкими и занесены в Красную книгу Республики Беларусь;

- опосредованное уничтожение видов в результате воздействия человека и в первую очередь загрязнения природной среды. Многие виды лишайников и мхов погибают даже при небольшой концентрации загрязняющих веществ в воздухе, воде, почве;

- вытеснение аборигенных видов интродуцированными видами. Акклиматизированная в Беларуси американская норка и енотовидная собака вызвали гибель европейской норки, вытеснили из их экологических ниш лесного хорька, горностая и водяную полевку в места, которые по экологическим характеристикам не подходят интродуцентам. Интродуцированный в Беларусь для хозяйственного использования (как корм для крупного рогатого скота) борщевик Сосновского вытесняет многих травянистых растений.

К уменьшению биоразнообразия Беларуси приводят следующие естественные виды угроз:

- глобальные изменения состояния окружающей среды - за последние 100 лет наблюдается устойчивый рост температуры воздуха в различных районах и увеличение годовой нормы осадков более чем на 100 мм. В результате этого произошло быстрое сокращение ареала и численности белой куропатки, появление в Беларуси новых видов птиц, типичных для степной и лесостепной зон;

- естественная эволюционная смена видов флор и фаун. В Беларуси происходит естественное отступление леса на север и активное проникновение степной растительности.

Биологическое разнообразие экономически выгодно, что иллюстрируют следующие данные:

- около 4,5 % валового национального продукта США (примерно 87 млрд $ в год) получены за счет диких видов;

- в Азии к середине 70-х годов генетические улучшения привели к росту производства пшеницы на 2 млрд. $, а риса – на 1,5 млрд. $ в год;

- использование сорта дикой пшеницы из Турции для привития сопротивляемости болезням культурным сортам дал экономический эффект в 50 миллионов долларов в год (США);

- стоимость лекарств, производимых в мире из дикорастущих растений, составляет примерно 40 млрд долларов в год;

- в 1960 г. только один ребенок из пяти, больных лейкемией, имел шанс выжить, а теперь 4 - из 5 благодаря лечению лекарственным препаратом, полученным из растений тропических лесов.

Живые организмы выполняют ряд функций в биосфере:

1. энергетическая – солнечная энергия, поглощаемая зелеными растениями, преобразуется в энергию химических связей. Синтезированные органические вещества (сахара, белки и др.) последовательно переходят от одних организмов к другим в результате их питания, переносят заключенную в них энергию. Растения поедаются растительноядными животными, которые становятся жертвами хищников. Этот переход и есть последовательный и упорядоченный поток энергии в биосфере. Кроме того, ни один вид животных не способен расщепить органическое вещество растений до конечных продуктов. Каждый вид использует лишь часть растений и некоторые содержащиеся в них органические вещества. Непригодные для этого вида растения или еще богатые энергией остатки растений используются другими видами животных. Так складываются сложнейшие цепи питания;

2. средообразующая - с живыми организмами генетически связаны все структурные части биосферы. При исчезновении хотя бы одного вида живых организмов изменения происходят во всей экосистеме: так уничтожение одного вида растений влечет за собой вымирание около тридцати видов насекомых;

3. биогеохимическая: функция - живые организмы участвуют в химических процессах по изменению вещественного состава биосферы. Живые организмы выполняют следующие биогеохимические функции:

а) газовая (диоксид-углеродная, азотная и др.);

б) концентрационная связана с аккумуляцией живыми организмами из внешней среды химических элементов;

в) окислительно-восстановительная. Окислительная функция выражается в окислении с участием бактерий бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания, гидросфере. Благодаря этому образуются болотные железные руды и др. Восстановительная функция выражается в восстановлении веществ, содержащих атомы с переменной валентностью;

г) биохимическая связана с жизнедеятельностью живых организмов – их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел;

д) биогеохимическая, связанная с деятельностью человека