Орошаемые почвы юга средней Сибири: свойства, режимы и продуктивность (стр. 1 )

На правах рукописи

ОРОШАЕМЫЕ ПОЧВЫ ЮГА СРЕДНЕЙ СИБИРИ:

СВОЙСТВА, РЕЖИМЫ И ПРОДУКТИВНОСТЬ

03.00.27- Почвоведение

Автореферат

диссертации на соискание

ученой степени доктора биологических наук

Улан-Удэ 2008

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» на кафедре мелиорации и гидрометеорологии и в ГУП «Сибир­ский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации».

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

доктор сельскохозяйственных наук,

доктор биологических наук,

Ведущая организация Институт почвоведения и агрохимии СО РАН

Защита состоится « » июнь 2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 003.028.01 в Институте общей и экспериментальной биологии СО РАН г. Улан-Удэ, , E-mail:*****@. Факс(30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бурятского научного центра СО РАН.

Автореферат разослан « » 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук

Введение

Актуальность проблемы. Экологически безопасное функционирование системы вода – почва – растение обеспечивается сбалансированным воздействием природных и антропогенных факторов, что в практике орошения повсеместно нарушается избыточно высокими агро - и гидромелиоративными нагрузками на почвы. Нарушения равновесия в системе проявляются в изменении и ухудшении основных свойств почв, декарбонизации, потери гумуса, осолонцевании, засолении, заболачивании и других деградационных процессах (Зимовец и др…, 1998). Степень проявления экологических последствий орошения определяется исходным состоянием почв, качеством оросительной воды, режимами орошения, уровнем агротехнологий. Поэтому весь комплекс мероприятий по предотвращению негативных последствий орошения нужно строить с учетом этих факторов. Кроме того, несоблюдение экологически безопасных режимов орошения приводит к непроизво­дительным затратам поливной воды, возникновению процессов вторичного засоления почв, поднятию уровня грунтовых вод. Не всегда учитывается ка­чество оросительной воды, ее химический состав и загрязненность. Необходимость решения этих проблем на орошаемых почвах юга Средней Сибири дало направление исследованиям по обоснованию требований к качеству оросительной воды, влиянию орошения на свойства, режимы и продуктивность, разработке экологически безопасных режимов орошения культур в комплексе с агроэкологическими мероприятиями.

Цель исследований. Изучить влияние орошения на свойства, режимы и продуктивность почв юга Средней Сибири

Задачи исследований:

- оценить качество ирригационной воды по экологическим показателям;

- изучить влияние орошения на свойства, режимы и продуктивность чернозема обыкновенного;

- выявить влияние орошения на свойства, режимы и продуктивность аллювиальных торфянисто-глеевых почв;

- разработать экологически сбалансированные агроирригационные приемы для повышения продуктивности и качественного состава сеяных многолетних травосмесей.

Научная новизна исследований. Обоснование сохранения, восстановления и повышения продуктивности орошаемых почв юга Средней Сибири:

- впервые в условиях юга Средней Сибири разработан дифференцированный подход к орошению агроландшафтов;

- изучено влияние орошения на химические и водно-физические свойства, на водный и солевой режим чернозема обыкновенного;

- на основе биоклиматического метода экспериментальным путем рассчитаны биологически оптимальные и текущие нормы водопотребности культур на годы расчетной обеспеченности осадками;

- исследовано влияние орошения на химические и водно-физические свойства, на температурный и пищевой режим аллювиальных торфянисто-глеевых почв;

- выявлены агроирригационые приемы повышения плодородия орошаемых почв.

На защиту выносится концепция устойчивого функционирования агроэкосистем при оптимальном регулировании водного режима, представленная следующими положениями:

- экологически безопасное функционирование орошаемых черноземов и их устойчивость к деградационным процессам возможно при оптимальном водном режиме в комплексе с агроирригационными приемами;

- регулирование водного режима оптимизирует температурный и пищевой режим аллювиальных торфянисто-глеевых длительно-сезоннопромерзающих почв;

- адаптивно-дифференцированные и экологически нормированные агроирригационные приемы повышают продуктивность сеяных многолетних травосмесей с высокими энергетическими показателями.

Практическая значимость. Материалы могут быть использованы при оценке экологических последствий орошаемых почв и их эволюции при изменении свойств, режимов и плодородия, а также почвенного мониторинга; при проектировании, строительстве и эксплуатации оросительных систем на юге Средней Сибири. Применение умеренных доз органоминеральных и минеральных удобрений под культурные растения, стимулирующих продукционный процесс и не нарушающих при этом экологического равновесия в системе почва-растение, может быть рекомендовано для орошаемого кормопроизводства. На основе полученных результатов разработан комплекс агроэкологических мероприятий с использованием информационно-ресурсного потенциала системы, экологических ограничений и многокритериальной оценки.

Апробация работы. Результаты исследований опубликованы в 48 научных и методических работах, в том числе 2 монографиях. Основные положения диссертации были представлены и обсуждены на следующих совещаниях и конференциях: международных, всесоюзных и российских: «Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве» (Новочеркасск, 1990); «Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа» (Новочеркасск, 1990); « Рациональное природопользование в криолитозоне» (Якутск, 1990); «Повышение качества и технического уровня проектов в условиях новых методов хозяйствования» (Абакан, 1990); «Водохозяйственное строительство и экологические проблемы» (Тбилиси, 1991); «Вопросы водохозяйственного строительства, мелиорации, использования и охраны водных ресурсов» (Ереван, 1991) «Проблемы мелиорации земель Сибири» (Красноярск, 1991); «Наука – сельскому хозяйству» (Красноярск, 1993); «Проблемы освоения Барабинской низменности» (Москва-Новосибирск, 1995); «Технологии неистощительного землепользования» (Красноярск, 1997); «Научное и кадровое обеспечение земельных преобразований в России» (Москва, 2002); «Природообустройство и рациональное природопользование – необходимые условия социально-экономического развития России» (Москва, 2005), «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2005, 2006); « Вклад академика в изучение и сельскохозяйственное освоение почв Сибири.» (Абакан, 2007).

Личный вклад автора. Постановка задач, выполнение лабораторных и полевых исследований, обработка и анализ полученного материала выполнены лично автором. Доля автора в совместных публикациях – 70 %.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 334 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка литературы, 13 приложений. Работа содержит 101 таблицу, 47 рисунков, список литературы включает 436 источников, в т. ч. 45 иностранных.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору , доктору географических наук, профессору , директору НИИ аграрных проблем Хакасии , кандидату технических наук , кандидату сельскохозяйственных наук , сотрудникам кафедры мелиорации и гидрометеорологии , ,

Глава 1. Орошаемые почвы: функционирование, экология,

продуктив­ность

На основе анализа литературных источников дано современное представление о проблемах связанных с развитием ирригации и ее последствиями. Оросительная система как инородное включение в естественный ландшафт может оказать как положительное, так и негативное влияние на почвы, их свойства и режимы. Функциональные связи влияния ирригации на почвообразовательный процесс зависят от множества факторов: размеров оросительной системы, почвенных, климатических, литологических условий, качества оросительной воды, режимов орошения культур, уровня и минерализации грунтовых вод, техники поливов и технологии выращивания культур.

Многочисленными исследованиями, проведенными (1994), (2005), (1995), (1980), (2004), ( 1979), (2004), (1994), (1996), (1977), (1995), (1978), (1981), (1996), (1985), (1981), (1998), (2004), (1995), и др. установлены влияния орошения на почвы степных и лесостепных агроландшафтов. Рассматривая орошение как фактор антропогенного воздействия, исследователи высказывают различные мнения о его влиянии на изменения водно-физических, химических свойств почв. Наряду с этим большинство исследователей утверждают, что оптимизация водного режима почв путем искусственного увлажнения позволяет наиболее полно использовать почвенные ресурсы зоны, потенциал биологической продуктивности культурных растений.

Глава 2. Краткая характеристика функционирования почв

юга Средней Сибири

Кратко приведены условия почвообразования в степной и лесостепной зонах юга Средней Сибири, том числе в пойменных ландшафтах и показано, что большое разнообразие геоморфологических, литологических, климатических факторов обуславливает формирование сложного почвенного профиля (Градобоев,1954;Горшенин, 1955; Савостьянов, 1978; Бугаков, Чупрова, 1981; Крупкин, 2002 ).

Глава 3. Объекты и методы исследований

Объект исследований - черноземные почвы Новоселовской оросительной системы и аллювиальные торфянисто-глеевые почвы Озерновской оросительной системы.

Преобладающими типами почв на Новоселовской ОС являются черноземы обыкновенные средне - и тяжелосуглинистые. Мощность гумусового горизонта 25-50 см, содержание гумуса в гор. А – от 4,6 до 7,7 %, емкость поглощения 34-65 мг-экв на 100 г почвы, рН водной вытяжки в верхних горизонтах 7,1 -7,7, в почвообразующей породе до 8,6. Токсичные воднорастворимые соли отсутствуют.

Водопроницаемость низкая и средняя, коэффициент фильтрации при естественной влажности – 0,48-1,31 мм/мин, а при влажности 0,7НВ – 0,08-0,11 мм/мин. Плотность сложения в верхнем полуметровом слое колеблется от 1,09 до 1,27 г/см3, наименьшая влагоемкость 24,9 -28,1%, диапазон активной влаги 9,1 - 15,4% от объема почвы.

Почвы Озерновской оросительной системы - аллювиальные торфянисто-глеевые почвы неразвитого и укороченного профиля. Содержание органического вещества в верхних горизонтах высокое и составляет от 17,9 до 20,5%. Емкость поглощения в верхних горизонтах от 35 до 49 мг-экв на 100 г почвы, рН водной вытяжки 7,2 – 7,5.

Плотность сложения в торфянистом слое 0,39 – 0,56 г/см3, капиллярная влагоемкость% , диапазон активной влаги% от объема почвы.

Изучение физических, водно-физических и химических свойств почв, содержание гумуса и макроэлементов проводили общепринятыми методами. Наблюдения и исследования проводились согласно «Методическим указаниям…1996). Расчет обменной энергии (ОЭ) определялся в соответствии с Методическими указаниями по оценке качества и питательности кормов (М., 1993). Статистическая обработка экспериментальных данных проведена по пакетам программ Microsoft Word Excel 2003.

По влагообеспеченности вегетационные периоды в годы исследований были от остросухих (95% обеспеченности осадками) до влажных (25% обеспеченности) (рис 1, 2). В целом можно отметить, как в годы наших исследований, так и по среднемноголетним данным, большая часть осадков выпадает во второй половине вегетационного периода.

Рис. 1 - Кривые обеспеченности осадками (по метеостанции Светлолобово)

Рис. 2 - Кривые обеспеченности осадками (по метеостанции Шира)

Глава 4. Оценка качества ирригационной воды

Оценка водоисточников для ирригации по экологическим показателям. Почвенно-мелиоративные аспекты оценки качества ирригационных вод и его влияние на свойства и плодородие почв изучены в трудах (1951), Г. Минашиной (1978), (1996), и (1997), и (1997), (2005), Faton F. М. (1950), Szabolcs, Darab (1982), Ауеrs R. S., Westcott D. V. (1985).

Исследования, проведенные по определению ирригационных коэффициентов оценки качества оросительных вод юга Средней Сибири, позволили установить, что качество воды характеризуется как хорошее. Ирригационные коэффициенты по Стеблеру находятся в пределах от 10,31 до 25,86 мг-экв/л, по SAR – от 0,6 до 2,66.

Экологические ограничения и оценка функционирования агроэкосистем при оросительных мелиорациях. Нами введены экологические ограничения для оптимального функционирования агроэкосистем. Они разработаны для трех основных блоков: воды, почвы и растений (рис 3). Водопотребление и водный режим почв подразделяется на подсистемы. В подсистеме «техника и технология полива» экологические ограничения должны быть направлены на способы полива не нарушающие структуру почвенного покрова и режимы орошения культур не вызывающие негативные последствия. Подсистема «температурный режим почв» направлена на оптимизацию температурного режима корнеобитаемого слоя почв. Орошение, проведенное ранней весной, способствует быстрому оттаиванию верхних слоев почвы и в то же время летний полив сглаживает чрезмерный перегрев этого слоя почвы. Подсистема «солевой режим почв» направлена на недопущение поднятия уровня грунтовых вод, снижение степени засоления и комплекс мероприятий, влияющих на динамику и химизм засоления. Подсистема «пищевой режим почв» предусматривает простое или расширенное воспроизводство плодородия почв для устойчивого функционирования агроэкосистемы. Задача решается применением удобрений на оптимальном режиме орошения для увеличения продуктивности культур.

Режимы водопользования. Количество загрязняющих веществ, попадающих на поля орошения с поливной водой, зависит от оросительных и поливных норм. Были установлены величины суммарного испарения различных сельскохозяйственных культур, рассчитаны коэффициенты водопотребления и оросительные нормы для лет различной обеспеченности осадками. Основные результаты фактических среднемноголетних значений суммарного водопотребления и оросительных норм представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Среднегодовые величины суммарного водопотребления (Е), коэффициента водопотребления (К) и оросительных норм (М) сельскохозяйственных культур на территории юга Средней Сибири

Наименование культур	Лесостепная зона	Степная зона
Продуктивность, т/га	Е, м3/га	К	М, м3/га	Продуктивность, т/га	Е, м3/га	К	М, м3/га
Многолетние травы	6,2	4000	64	1900	6,5	4300	66	2400
Кукуруза на силос	41	3000	73	1000	60	3500	59	1400
Рапс яровой 1-й посев 2-й посев	42 33	1700 1300	44 42	900 400	- -	- -	- -	- -
Капуста ранняя	46	3600	80	2100	-	-	-	-
Капуста среднепоздняя	73	4500	60	2100	50	4700	95	2400
Огурец	20	3200	160	1500	20	3500	169	1750
Томат	24	2700	116	1400	25	2500	390	1500
Морковь	41	2900	57	900	-	-	-	-
Пшеница	-	-	-	-	3	3300	98	1700
Картофель	-	-	-	-	24	2700	13	1700
Овес, ячмень	-	-	-	-	3	3100	70	1700