ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 5, с. 587-596
МЕЛИОРАЦИЯ ПОЧВ
УДК 631.6:502.65:519.6
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРОСИТЕЛЬНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ
В ЗОНАЛЬНОМ РЯДУ ПОЧВ © 2015 г. Л. В. Кирейчева, Н. П. Карпенко
Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова,
127550, Москва, ул. Б. Академическая, 44 е-таП: kireychevalw@mail.ru Поступила в редакцию 18.06.2014 г.
Для оценки эффективности проведения оросительных мелиораций предложен термодинамический подход, позволяющий оценить эффективность мелиоративных воздействий. Рассмотрена структура энергетического баланса для открытых систем (почв) и проведена оценка его составляющих. Приведены зависимости, по которым можно рассчитать главные энергетические характеристики, необходимые для оценки составляющих вещественно-энергетического баланса системы атмосфера—растительность—почва. Для основных зонально-провинциальных типов почв европейской территории России выполнены расчеты энергетических характеристик в естественных условиях и при проведении оросительных мелиораций. Предложена зависимость, позволяющая рассчитать эффективность оросительных мелиораций через коэффициент энергоэффективности мелиорации, и установлены закономерности его изменения для рассматриваемых типов почв.
Ключевые слова: термодинамический подход, структура энергетического баланса, открытые системы, почвы, плодородие, продуктивность, продукционный потенциал, мелиоративные воздействия, энергоэффективность оросительных мелиораций.
БО1: 10.7868/80032180X15030065
ВВЕДЕНИЕ
Мелиорация земель сельскохозяйственного назначения направлена на эффективное использование природно-ресурсного потенциала агро-ландшафта и его почвенного покрова при соблюдении экологических требований. Основным объектом мелиоративного воздействия является почва, поэтому различные сочетания мелиоративных воздействий можно охарактеризовать как "систему мероприятий... по обеспечению процесса постоянного, целенаправленного управления плодородием почв и факторами почвообразования в культурных ландшафтах" [22].
Известно, что биологическая продуктивность зависит от количества используемой солнечной энергии, влагообеспеченности территории, плодородия и свойств почвы, а также от того режима, который формирует мелиоративная деятельность. Обосновывая роль мелиорации, Костяков писал, что "управляя круговоротом воды и зольных веществ, необходимо всемерно удерживать питательные для растений вещества в биологическом круговороте.", препятствуя их поступлению в геологический круговорот [16, с. 14]. Нарушение этих условий приводит к существенной антропогенной трансформации природного
объекта и возможному развитию деградацион-ных процессов.
При проведении сельскохозяйственной мелиорации происходит существенное изменение энергетического баланса агроландшафта. Использование солнечной энергии в агроценозе увеличивается на 3—6%, что вызывает рост энергии почвообразования за счет повышения испаряемости и водопотребления сельскохозяйственных культур, энергии, аккумулированной в фито-массе растений из-за увеличения урожайности в 3—8 раз в зависимости от исходных условий и таким образом улучшается продуктивность (плодородие почвы, выраженное в единицах продукции агроценоза) почвы [31].
Под влиянием антропогенной деятельности происходит трансформация почвенных процессов за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. В открытых системах (агро-ландшафтах) изменение энергии (&Ц) за время & может быть обусловлено только обменом энергией с окружающей средой путем теплообмена и процессов, связанных с выполнением работы (dW) и обменом веществом (а©вещ) [29].
В этом случае полное изменение энергии открытой системы можно представить как:
йи = йО — dW + dQвeщ, (1)
где йи — полная внутренняя энергия системы; йО — поступление энергии в систему, dW — работа, производимая этой системой; йОвещ — обмен веществом.
Поступающая в природную систему (агро-ландшафт) энергия накапливается в почвенном гумусе и фитомассе растений, обеспечивает кругооборот воды и питательных элементов, создает механизмы, поддерживающие устойчивость (бу-ферность) системы и обмен со смежными системами. Часть энергии рассеивается, причем, чем меньше энергии рассеивается, тем более эффективно работает система [28]. Одним из способов повышения продукционного потенциала почвы является проведение мелиоративных воздействий, способствующих более эффективному использованию суммарной солнечной радиации и поступлению дополнительной антропогенной энергии путем осуществления гидромелиорации, агромелиоративных приемов, внесения органических и минеральных веществ, регулирования водного, воздушного и теплового режимов почвы. В процессе производства растениеводческой продукции в агрогеоценозе увеличивается количество исходящей энергии и уменьшается количество возвращаемой в почву энергии.
Для решения проблемы устойчивого повышения плодородия почвы необходимо не только увеличить количество возвращаемой в почву энергии, но и сохранить установившееся соотношение энергетических потоков посредством управления мелиоративным режимом. Применительно к мелиоративной деятельности основными компонентами энергетического потока являются: солнечная (лучистая) энергия, энергия почвообразования, энергия химических связей органического вещества зеленых растений, аккумулирующая солнечную энергию в процессе фотосинтеза, и энергия химических связей органического вещества почвы.
В экосистемах, в том числе и в почвенных биоценозах, аккумуляция и трансформация энергии идет через живое вещество. Поступающая в биоценоз энергия сосредотачивается в двух его основных объектах — зеленых растениях и органическом веществе почвы. Энергетическая роль почвы состоит в поддержании постоянства потока энергии в биогеоценозе за счет повышения или снижения плодородия и аккумуляции или минерализации почвенного гумуса [17].
Недостаток существующих методов заключается в том, что они не учитывают биохимической направленности процессов трансформации органического вещества в почве, в то время как ми-
нерализация и гумификация изначально рассматриваются как совокупность биохимических реакций.
Цель данной работы — рассмотреть эффективность проведения оросительных мелиораций, обеспечивающих сохранение и/или увеличение плодородия почв, находящихся в различных поч-венно-климатических условиях европейской части России, с использованием нового энергетического подхода к изучению открытых систем.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Изменение энергетического состояния почвы выражается термодинамическим уравнением:
' =п
йи = Я + На + X М v, — (ОП + Оу + ОГ), (2)
1=1
где Я — поступление в систему лучистой энергии Солнца, выраженный через радиационный баланс; НА — величина антропогенной нагрузки;
X'. — поступление в систему энергии в про-
цессе массообмена (М, — масса 1-го компонента;
— химический потенциал, характеризующий скорость обмена); 0П — энергия почвообразования; 0У — энергия, аккумулированная в урожае; ОГ — энергия, аккумулированная в почвенном гумусе.
Рассмотрим основные энергетические характеристики, необходимые для оценки составляющих вещественно-энергетического баланса системы атмосфера—растительность—почва. Все энергетические величины будем рассматривать как потоковые величины и выражать их в международной системе единиц — КДж/см2.
Основной энергетический поток, поступающий в почву, — это поток лучистой энергии Солнца, который у поверхности почвы трансформируется в тепловую энергию. Разность между солнечной радиацией, поглощенной земной поверхностью, и эффективным излучением этой поверхности, представляет собой радиационный баланс, который выражается следующим уравнением [2]:
Я = 0(1 -а) - I, (3)
где О — суммарная коротковолновая радиация, КДж/см2; а — альбедо, в долях от единицы; I — эффективное излучение, КДж/см2.
Суммарная коротковолновая радиация представляет собой сумму прямой и рассеянной радиации, которую можно оценить по зависимости [1]:
0 = 0о [1 - (а + Ьп)п], (4)
где 0О — суммарная солнечная радиация при безоблачном небе, КДж/см2; п — средняя облач-
ность, в долях от единицы; а и Ь — безразмерные коэффициенты, учитывающие влияние облачности на суммарную радиацию [2].
В качестве основной характеристики энергетического состояния почв и его изменения широко используют "индекс сухости" по Будыко, определяющий зависимость тепла и осадков в естественных условиях:
R =
LOn
(5)
где Ь — скрытая теплота парообразования, величина постоянная, равная 2.256 КДж/см2; ОС — сред-немноголетняя сумма осадков, см; остальные обозначения даны выше.
Целесообразно также использование коэффициента увлажнения Ку, представляющего собой величину отношения среднемноголетней суммы осадков к величине испаряемости по Иванову [27]:
Ку = Ос/ЕС, (6)
где ОС — среднемноголетняя сумма осадков, мм; Ес — испаряемость, мм.
Зональные значения годовой испаряемости (ЕС мм) можно ориентировочно определить по формуле [4]:
ЕС = 50R
0.67
(7)
где Я — радиационный баланс, Ккал/см2.
Работа системы выражается в энергетических затратах на почвообразование и оценивается в соответствии с зависимостью, предложенной Воло-буевым [4]:
Оп = Яе °С, (8)
где Я — радиационный баланс, КДж/см2.
В наиболее значимых расходах энергии на почвообразование В.Р. Волобуев выделяет процессы водно-теплового круговорота (95%), биологические процессы круговорота веществ (1%), физическое и химическое выветривание (0.01%). Несмотря на то, что на процессы биологического круговорота веществ затрачивается около 1% общей энергии почвообразования, именно в результате этих процессов формируется органическое вещество и почвенный гумус.
Исходя из поставленной цели, делается предположение, что проведение мелиоративных воздействий в разных почвенных зонах должно обеспечивать сохранение или увеличение запасов гумуса, поэтому представляется целесообразным учитывать энергию, аккумулированную в почвенном гумусе, выраженную через биоэнергетический потенциал органических соединений [14]. Кроме того, в качестве работы системы учитыва-
ется энерги
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.