СПОСОБ ФИТОМЕЛИОРАТИВНОГО БИОДРЕНИРОВАНИЯ ПОЛИВНЫХ ЗЕМЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК E02B11/00 

Изобретение относится к оросительной мелиорации, а именно к ликвидации подпочвенных вод, возникающих на орошаемом поле вследствие фильтрации части поливной воды и последующего подтопления и засоления почвы.

Известен биологический дренаж с.-х. культур в циклах орошаемого и богарного земледелия, позволяющий поддерживать в почвогрунтах замкнутые водно-солевые балансы [1, 2].

1. Шумаков Б.Б., Бобченко В.И. Технология гидроциклических богарных комплексных мелиораций. // Научно-технические достижения. - Т 1. Технология мелиорации земель. Спец. выпуск. - М.: ЦБНТИ, 1989.

2. Бобченко В.И. Сочетание орошаемого и богарного земледелия. // Мелиорация и водное хозяйство. - 1998, №5, с.5-8.

Известна высокая гидрологическая роль леса и лесных полос (ЛП) вдоль каналов оросительной сети [3-6 и др.].

3. Молчанов А.А. Гидрологическая роль леса. - М.: Издат. АН СССР, 1960, - 487 с.

4. Шалаев А.Ф. Биологический дренаж в борьбе с засолением почв в зоне Главного Туркменского канала. // Хлопководство, 1953, №1.

5. Бобро В.И. Гидрологический режим почвогрунтов вдоль канала Ингулецкой оросительной системы. Лесоводство и агролесомелиорация, Вып. 29, Киев: Урожай, 1972, - с.120-123.

6. Степанов A.M., Смертин Е.М. Влияние системы лесонасаждений на гидрологический, солевой режим почвы и грунтовых вод на орошаемой территории. Сб. научных трудов. - Экологическая роль защитных насаждений в лесоаграрном ландшафте. - Волгоград: 1982, - с.77-78.

Известен способ сбора и отвода дренажных вод с орошаемых полей путем строительства на оросительных системах (ОС) инженерных коллекторно-дренажных систем (КДС) глубокого и мелкого заложения [7, 8].

7. Галифанов Г.Г. Оправдал ли себя дренаж? // Мелиорация и водное хозяйство. - 1992, №7-8, с.15-17.

8. Хачатурьян В.Х., Айдаров И.П. Причины экологической катастрофы Арала. // Мелиорация и водное хозяйство. - 1990, №12, с.1.

Известен способ понижения уровня подпочвенных вод крупных орошаемых полей существующего землеустройства совместным применением систематического горизонтального дренажа и биодренирования почвогрунтов полезащитными лесными полосами [9].

9. Степанов A.M. Защитное лесоразведение на орошаемых землях и его эффективность. Агролесомелиорация. Под ред. В.Н.Виноградова. - М.: Издат. Лесная промышленность, 1979, - с.16-32.

В принятом нами за прототип способе совместного понижения уровня подпочвенных вод путем отвода дренажного стока за пределы оросительной системы горизонтальным систематическим дренажем и биодренирования почвогрунтов полезащитными лесными полосами недостатками являются:

- высокая стоимость строительства КДС, сравнимая по стоимости оросительных систем, большая материало- и трудоемкость, энергонасыщенность, сложность в эксплуатации, необходимость содержания персонала для перекачки дренажных вод на большие расстояния, поддержание КДС в рабочем состоянии;

- периодическая вынужденная промывка засоленных земель и увеличение подачи поливной воды на 30-50%, не пригодной для повторного орошения из-за повышенной минерализации и идущей на дренажный сток;

- глубокая вертикальная промачиваемость грунтов поливных земель, в результате которой фильтрующиеся и грунтовые воды (ГВ) обогащаются солями коренных пород до минерализации 10-15 г/л и более и пропитывают растворами солей всю почвенно-грунтовую толщу;

- выход из оборота сельскохозяйственных земель;

- биодренирование почвогрунтов больших полей полезащитными ЛП является вспомогательным способом;

- ширина межполосного пространства больших полей значительно больше суммарного гидрологического влияния на него двух смежных полезащитных лесополос;

- преобладающее количество дренажных минерализованных вод с больших полей создает большие экономические проблемы с отведением, прокладкой водоотводящих коллекторов, насосных станций, линий электропередач и их охраной;

- несоответствие основного способа утилизации дренажного стока современным экологическим требованиям;

- обязательное нарушение экологических условий окружающих ландшафтов в местах сброса минерализованных дренажных вод;

- возможность подтопления территории больших полей минерализованным дренажным стоком со стороны отводящих коллекторов;

- повышенная экологическая опасность засоления депрессий рельефа местности и акваторий при естественном испарении дренажных вод;

- периодичность смены гидроморфного на полугидроморфный режим полей и деградация почвенного плодородия;

- биодренировнаие грунтов больших полей породным составом полезащитных ЛП возникает в зоне гидрологического влияния ЛП после создания гидроморфного режима почвообразования.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании агролесного комплекса, максимально потребляющего фильтрующуюся часть поливных вод на продуктивное испарение одновременно по всей корнеобитаемой толще без капиллярного поднятия к поверхности и без фильтрации ее в грунты зоны аэрации.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в использовании естественной высокой десукционной способности лесных культур, которые, потребляя фильтрующуюся влагу одновременно по всей корнеобитаемой толще почвогрунта, расходуют ее на биологическое испарение в атмосферу. Влага увлажняемого слоя почвы, не превышающая влажности наименьшей влагоемкости, расходуется с.-х. культурами сплошного сева (основного и повторного посевов).

Каждое дерево орошаемых совместно с полевыми культурами полезащитных ЛП можно рассматривать как отдельную модульную скважину вертикального биологического дренажа, имеющую свою водосборную площадь, разветвленную корневую систему с капиллярной сетью проводящих сосудов и бесчисленных всасывающих корешков, размещенных в объеме периодически увлажняемого почвогрунта, систему многочисленных трахеид и других проводящих сосудов, заключенных в оболочку ствола и крону дерева с большой испаряющей поверхностью листьев. При всасывании корнями почвенных растворов древесный организм преодолевает сопротивление отдачи влаги почвогрунтами от 0 - сразу после полива и до 10 МПа - при влажности разрыва капилляров.

В летний период при относительной влажности воздуха 40% разность между водоудерживающей способностью корней и воздуха достигает десятков тысяч атмосфер [10, 11].

10. Судиницин Н.И., Сидорова Н.А., Винокурова В.М. и др. Эколого-гидрографические основы оптимизации водного режима почв. // Почвоведение, 1986, - №7, с.88-97.

11. Семаш Д.П. Орошение плодового сада. - Киев: Урожай, 1975, - 183 с.

Лесные культуры на орошении имеют большую облиственность, функционирующую 5,0-5,5 месяцев. В условиях высокой температуры и влажности почвы интенсивность транспирации достигает максимальных значений. По нашим многолетним данным средняя транспирация лесных десятилетних культур на орошении за вегетационный период (май-сентябрь) в 2-5 раз превышает оросительную норму (см. табл.).

Специально подобранные по солеустойчивости лесные культуры поглощают почвенные растворы солей высоких концентраций. Вяз приземистый выдерживает предельное средневзвешенное солесодержание в капиллярной кайме 0,6-0,8% и минерализации ГВ при хлоридно-сульфатном и сульфатно-хлоридном типах засоления в Прикаспии 18-20 г/л, тополь белый и Болле соответственно 0,4-0,5% и 12-15 г/л, тополь черный 0,2-0,3% и 4-6 г/л [12].

12. Дурдусов С.Д., Зулаев М.С., Кулик К.Н. и др. Фитомелиоративная реконструкция и адаптивное освоение черных земель. (Под ред. акад. РАСХН В.И.Петрова). Волгоград - Элиста: 2001, - 321 с.

Скопившиеся при осмотическом барьере десукции под ЛП концентрации почвенных растворов солей промываются весенним паводком накопленных ими же зимних осадков.

На орошаемом поле под комплексной почвозащитой ЛП создается устойчивый микроклимат для с.-х. растений, обеспечивающий лучшие параметры надземной массы и площади листьев, позволяющих принимать на себя всю прямую солнечную радиацию. Это снижает температуру почвы на 3-7°С ниже фонового значения и уменьшает физическое испарение почвенных растворов поверхностью поля, заменяя его продуктивным испарением.

Люцерна на орошении в нашей зоне по данным М.Н.Багрова [13] потребляет 8,5 тыс.м³/га воды, высокой способностью к биологической утилизации обладают и другие с.-х. культуры.

13. Багров М.Н. Орошение полей. Волгоград, - Нижнее-Волжское книжное изд., 1965, - 254 с.

При этом сами выращиваемые культуры максимально используют комплекс мелиоративного влияния полезащитных орошаемых лесополос, создающих особый микроклимат и улучшающих качество течения физико-химических процессов почв в защищаемом пространстве поля.

Для отведения фильтрата поливной воды с поля к основным полезащитным лесным полосам на биологическое испарение используют закрытые дрены горизонтального систематического дренажа.

Дрены укладывают с уклоном с середины межполосного пространства поля в местах окончания зон гидрологического влияния на него смежных полезащитных полос.

Оставшаяся ниже слоя увлажнения часть влаги впитывается в почвогрунт и, поднимаясь по капиллярам, расходуется ризосферой полевых культур. По мере снижения увлажнения почвы в межполивной период всасывающие корни растений способны высушивать и почвогрунты, увлажненные за счет влагопереноса от влажных грунтов к сухим.

Применение этого способа прерывает гидрологическую связь орошаемых почвогрунтов с ГВ, а транспирируемая влага увлажняет атмосферу агролесного фитоценоза и окружающего пространства засушливой степи.

Этим решается целый ряд экологических, почвенных и экономических проблем, не решаемых при обычных способах орошения в почвенно-климатических условиях засушливых зон:

- не выносятся на поверхность рассолы древних природных солей, сохраняется природный автоморфный тип почвообразования;

- отсутствуют дорогостоящие коллекторы по сбору и отводу дренажных вод, здания насосных станций, обслуживающий персонал, электролинии, отвод земель под испарение минерализованных вод.

При существующем в хозяйствах степных районов землеустройстве полевых севооборотов с площадью поля 350-550 га и крупносетчатым размещением на них лесомелиоративной системы полезащитных ЛП, основанным на представлениях середины прошлого века путях экономии пахотных земель и роли лесной мелиорации, биологические процессы гидрологического влияния ЛП на уменьшение доли физического испарения почвенных растворов с поверхности громадных полей сильно ослаблены (фиг.1).

Фиг.1. Влияние орошения больших полей современного земледелия на гидрологический режим почвогрунтов зоны аэрации.

На фиг.1 схематично отражен процесс накопления фильтрата поливных вод: 1 - исходное состояние УГВ до начала орошения поля; 2 - полезащитные лесные полосы, чье гидрологическое влияние значительно меньше, чем ширина этого поля; 3 - уровень подпочвенно-грунтовых минерализованных вод через 5-7 лет с начала эксплуатации ОС; 4 - депрессионная кривая уровня подпочвенно-грунтовых вод под ЛП, где смежное неорошаемое поле или природный степной ландшафт; 5 - депрессионная кривая гидрологического влияния смежной ЛП, где следующее поле орошаемое и имеет такое же подтопление почвогрунтов.

За счет поступающего на поле тепла и критического уровня залегания подпочвенно-грунтовых вод идет их испарительный режим - с переотложением твердой фазы солей в почвенно-растительном слое или на поверхности почвы. Расположенные по периметру поля полезащитные лесополосы расходуют подпочвенно-грунтовые воды на биологическое испарение по окраинам поля. Но их доля расхода воды очень мала в общем испарении накопленного фильтрата прошлых лет орошения. В результате смены природного автоморфного режима на гидроморфный идет деградация почвенного плодородия.

Указанный результат достигается тем, что в засушливых зонах большую площадь орошаемого поля уменьшают до размеров оптимальной десукционной способности древесных пород, а подводящие поливную воду каналы внутрихозяйственной распределительной сети, допускающие до 50% поливной воды на фильтрацию, заменяют на трубопроводы, лотковые и другие нефильтрующие каналы. Для этого ширина орошаемого поля не должна превышать размеры совместного гидрологического влияния смежных полезащитных ЛП. Например, для полезащитной ЛП из вяза приземистого зона гидрологического влияния в условиях полупустынных светло-каштановых почв распространяются на 155-165 м, для тополей - на 200 м. В случае, если лесополосы представлены этими породами, то проектировать расстояние между ними (или ширину межполосного орошаемого поля) нужно равной (160+200) 360 м. С середины поля от мест окончания зон гидрологического влияния в сторону лесополос укладывают закрытые дрены систематического дренажа для отвода фильтрата на биологическое испарение (фиг.2).

Фиг.2. Орошаемое поле с фитомелиоративным способом биодренирования фильтрата поливных вод. Ширина межполосного пространства поля равна суммарному гидрологическому влиянию смежных полезащитных ЛП.

6 - закрытые дрены.

Защитные лесонасаждения являются природным экологически чистым средообразующим фактором, повышающим сопротивление антропогенному прессингу чрезвычайно уязвимой биосферы острозасушливой степи. Орошаемые полезащитные ЛП являются долговечным агроприемом, стоимость посадки и эксплуатации которого, как минимум, на порядок ниже стоимости инженерных КДС.

ТаблицаСредний транспирационный расход воды лесными культурами в десятилетнем возрасте в условиях достаточного увлажнения.Порода, сортРасход линейным насаждением, тыс. м³500 шт/км1000 шт/км1500 шт/кмИва ломкая,   ива белая,14,1-15,428,2-30,835,2-38,5вяз   приземистый   Тополь пирамидальный, тополь25,450,865,3Болле   Тополь   Бахелье,28,1-28,556,2-57,070,3-71,3тополь   Поздний 22,   тополь   Сакрау 59   Тополь   Мощный   236, тополь   Брабантика29,9-33,959,8-67,874,8-84,8175, тополь   Брабантика   176, тополь   Королинский 162   

Изобретение относится к оросительной мелиорации, а именно к ликвидации подпочвенных вод, возникающих на орошаемом поле вследствие фильтрации части поливной воды, и последующего подтопления и засоления почвы. Способ фитомелиоративного биодренирования поливных земель включает посадку полезащитных орошаемых лесополос и закладку дрен горизонтального систематического дренажа. Ширину межполосного орошаемого поля определяют не превышающей суммарный размер зон гидрологического влияния породного состава смежных полезащитных лесополос. Закрытые дрены укладывают с уклоном с середины поля от мест окончания зон гидрологического влияния в сторону лесополос, служащих биологическим испарителем дренажных вод. Изобретение за счет высокой десукционной способности лесных культур полезащитных лесополос позволяет расходовать на транспирацию фильтрационные воды одновременно по всей корнеобитаемой толще почвогрунта без капиллярного поднятия к поверхности и без фильтрации ее в почвогрунты в зоны аэрации. При этом прерывается гидрологическая связь почвогрунтов с грунтовыми водами и трансформируется преобладающее после полива в жарком климате физическое испарение солевых растворов с поверхности почвы в продуктивное испарение (транспирацию) почвенной влаги растительностью в атмосферу. 2 ил., 1 табл.

Способ фитомелиоративного биодренирования поливных земель, включающий посадку полезащитных орошаемых лесополос и закладку дрен горизонтального систематического дренажа, отличающийся тем, что ширину межполосного орошаемого поля определяют не превышающей суммарный размер зон гидрологического влияния породного состава смежных полезащитных лесополос, закрытые дрены укладывают с уклоном с середины поля от мест окончания зон гидрологического влияния в сторону лесополос, служащих биологическим испарителем дренажных вод.