Московский экономический журнал 4/2020

image_pdfimage_print

УДК. 626.826

DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10218

ТРАНСФОРМАЦИЯ ОСУШАЕМЫХ ГИДРОМОРФНЫХ ПОЧВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ   ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ

TRANSFORMATION OF DRAINED HYDROMORPHIC SOILS OF WESTERN SIBERIA UNDER LONG-TERM INFLUENCE OF NATURAL AND ANTHROPOGENIC FACTORS

Новохатин Василий Васильевич, профессор кафедры геодезии и кадастровой деятельности, д.т.н, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень

Novokhatin V.V., Novohatin@yandex.ru

Аннотация. Крупные массивы болотных геосистем, которые можно потенциально использовать в сельскохозяйственном производстве, почти целиком располагаются в лесостепной и подтаёжной подзонах Западной Сибири, где они занимают большие площади междуречных пространств. В естественном состоянии эти почвы почти не используются в сельском хозяйстве. Вовлечение их в оборот, на основе широких мелиораций, позволит интенсифицировать сельскохозяйственное производство и расширить площади под культурами, пастбищами и продуктивными лугами.

Естественно, изменяя водный режим, мы вторгаемся в естественный процесс эволюции болотных комплексов. Для правильной оценки изменений происходящих в гидроморфных залежах под действием мелиораций и возможности управления этим процессом требуется системный анализ количественных характеристик, полученных на основе натурных исследований, а также их теоретическое обоснование с широким применением математических методов. Полноценных, комплексных исследований в рассматриваемых подзонах, о трансформации гидроморфных почв, практически не проводилось. Поэтому решающее значение на современном этапе освоения болотных геосистем имеет анализ долгосрочных, комплексных стационарных исследований.

В предлагаемой работе приводятся результаты длительных наблюдений за осадкой и сработкой осушаемых гидроморфных почв. Приводятся математические зависимости и диаграмма для прогнозирования интенсивности сработки таких почв в лесостепной и подтаёжной подзонах Западной Сибири.

Summary. Large arrays of swamp geosystems that can potentially be used in agricultural production are almost entirely located in the forest-steppe and sub-taiga subzones of Western Siberia, where they occupy large areas of inter-river spaces. In its natural state, these soils are almost not used in agriculture. Their involvement in the turnover, based on extensive land reclamation, will allow to intensify agricultural production and expand the area under crops, pastures and productive meadows.

Naturally, by changing the water regime, we are intruding into the natural evolution of swamp complexes. To correctly assess the changes occurring in hydromorphic deposits under the influence of reclamation and the possibility of managing this process, a systematic analysis of quantitative characteristics obtained on the basis of field studies, as well as their theoretical justification with the wide use of mathematical methods, is required. There were practically no comprehensive studies on the degradation of hydromorphic soils in the considered subzones. Therefore, the analysis of long-term, complex stationary research is of crucial importance at the present stage of development of marsh geosystems.

This paper presents the results of long-term observations of precipitation and precipitation of drained hydromorphic soils. Mathematical dependences and a diagram for predicting the intensity of such soils in the forest-steppe and sub-taiga subzones of Western Siberia are given.

Ключевые слова:болотные геосистемы, деградация почв, мелиорация, водный режим, параметры мелиоративной системы, осадка и сработка органогенных почв. 

Keywords: marsh geosystems, soil degradation, reclamation, water regime, parameters of the reclamation system, sediment and discharge of organogenic soils.

Органогенная природа болотных залежей обуславливает специфику почвообразовательного процесса, учёт которого необходим при их осушении и дальнейшем использовании. Антропогенное воздействие на болотные комплексы должно быть увязано с возникновением необратимых процессов, происходящих в торфе при осушении.

В условиях Западной Сибири, где основная часть объектов мелиоративного строительства находится в зоне расположения крупных массивов болотных геосистем занимающих большие площади междуречных пространств, определение трансформации осушаемых органогенных залежей, является важной задачей с позиций их рационального использования и сохранности.

Целью исследований является оценка трансформации гидроморфных залежей во времени и в пространстве, в зависимости от интенсивности их осушения и изменение параметров мелиоративных комплексов в результате этого процесса.

Экспериментальная часть

Нами проводились исследования осадки и сработки органогенных залежей, с разной интенсивностью осушения, на болотных геосистемах, типичных для лесостепной и подтаёжной подзон Западной Сибири с позиций системного подхода оценки их количественных характеристик, что позволяет достоверно оценить их изменение во времени и в пространстве. Тип водного питания болотных геосистем лесостепной подзоны, преимущественно атмосферный, подтаёжной подзоны – грунтово-напорный. Почвы опытных стационаров представлены низинными торфяниками мощностью 0,6-2,8 м. На стационаре, расположенном в лесостепной подзоне, регулирование почвенных режимов осуществляется на основе закрытых дренажных систем глубиной 0,9 , 1,2 , 1,5 м с расстояниями между дренами 8, 24, 40 м. Мелиоративные системы в подтаёжной подзоне представлены закрытым дренажем с глубиной заложения дрен 1,2 , 1,5 , 1,8 м с расстояниями между ними 10, 20, 30 и 40 м, а также открытой регулирующей сетью с расстояниями между каналами 200 м.

Результаты и их обсуждение

Изыскание возможностей прогнозирования динамики процесса деградации органогенных залежей во времени является актуальной задачей для исследователей. В таблице 1 приведены данные по осадке и сработке гидроморфных торфяных почв, полученные в различных климатических регионах Российской федерации и за рубежом. Анализируя результаты, приведённые в таблице 1, можно отметить определённую закономерность. Чем длиннее период наблюдений, тем меньше интенсивность осадки и сработки торфа, то есть идёт затухание этого процесса во времени. Особенностью приводимых авторами данных является то, что при определении величины среднегодовой осадки многие из них не выделяли отдельно послестроительную осадку, что естественно завышало значения анализируемого показателя.

По нашему мнению, требуется разделять осадку гидроморфных почв на две стадии: максимальную – послестроительную (в течение 2-5 лет после осушения), которая является необходимой для создания почвенного плодородия осушаемых органогенных залежей и последующую – эксплуатационную. Это наше заключение, полученное на основе выполненных полевых исследований, согласуется с данными Маслова Б.С., Минаева И.В., [1], Нестеренко И.Н., Матвеев С.Л. [2], Смирнова А.В. [3]. Детальные проработки натурных данных показывают, что осадке и сработке подвержены все слои органогенной залежи. К сожалению этот процесс нередко длится десятки лет. Поэтому при решении инженерных задач в мелиоративном и гидротехническом строительстве целесообразно учитывать эксплуатационную осадку, так как при интенсивности последней даже 1-2 см/год практически через 50 лет мелиоративная система будет находиться почти на поверхности и потребуется её переустройство.

По данным УкрНИИГиМ [4] за 55 лет использования болотного массива слой органогенных почв уменьшился на 1,6 м, что составляет в среднем 2,7–3 см/год. При этом на долю непосредственно уплотнения приходится 1,2–1,3 см/год, а потери при сельскохозяйственном производстве составляют 1,5–1,7 см/год. Несколько другого взгляда на проблему придерживается Скоропанов С.Г., [5]. Им получены данные, показывающие, что на долю уплотнения торфа при его осушении приходится до 86 % общего уменьшения мощности залежи.

Изучению осадки торфяных залежей болотных геосистем уделяется пристальное внимание в связи с тем, что деградационные процессы почв могут нарушить работу закрытых мелиоративных систем и гидротехнических сооружений, строительство которых в связи с этим целесообразно производить только после основной осадки залежи. Теоретическое обоснование решения данной проблемы затруднительно из–за множества динамически изменяющихся факторов, обуславливающих осадку гидроморфных почв. Поэтому исследователями, для различных природно – климатических зон, предложен ряд эмпирических зависимостей, позволяющих в удовлетворительной степени определять величину осадки. Следует отметить, что расчётные формулы получены в основном для условий Европейской территории страны. Так, согласно исследованиям Б.С. Маслова [6], при осушении мощных торфяных почв текущая осадка и сработка органогенных почв может быть определена по формулам:

  • под полевыми и овощными культурами:
  • под многолетними травами:

где: h – осадка и сработка почв, см;  – число лет после осушения. Оценку потерь массы торфа при наличии данных о мощности  залежи и её плотности на всю глубину до осушения и после, Пыленок П.И., [7] предлагает производить по зависимости:

где: П – потери массы торфа, т/га;

– мощность торфа от поверхности до минерального дна до осушения и спустя t лет после осушения и использования, м;

– объемная масса неосушенного торфа и через лет после осушения, т/м3.

Обобщая материалы литературных источников по различным природно – климатическим зонам земного шара Р. Эггельсманн [8] приводит зависимость осадки за год от климатического фактора Ланге:

где: h – осадка торфа, мм; Р – осадки,мм; tср.год. – среднегодовая температура воздуха, 0С.

Формула (5) удовлетворительна для прогнозирования эксплуатационной осадки и сработки торфа на болотах, занятых многолетними травами через 40–50 лет. В условиях подтаёжной подзоны Западной Сибири значения этого показателя, согласно формуле, будет составлять 0,9–1,1 мм/год.

Проблема сохранения органического вещества и экологической безопасности болот актуальна. В этой связи необходимо замедлять процесс сработки органики болотных ландшафтов путём введения луговой культуры болот при высоком уровне грунтовых вод. Однако достичь полного прекращения суммарной осадки и сработки торфа и тем более увеличения органической массы за счёт растительных остатков весьма трудно.

Снижение уровня грунтовых вод влечёт за собой ряд изменений свойств торфяных почв зоны аэрации и возникновение таких процессов, как уменьшение мощности торфяной залежи. Данные многолетних исследований показывают, что осадка поверхности торфяных залежей является следствием: уплотнения торфа, вызванного уменьшением взвешивающего давления воды, физического уплотнения сельскохозяйственными машинами, минерализации органического вещества, водной и ветровой эрозии, действия гравитационных, молекулярных и капиллярных сил.

Выполненные натурные исследования позволили нам отметить, что осадка торфа по глубине распространяется неравномерно: максимальное её значение наблюдается в слое почвы, расположенном выше уровней грунтовых вод, минимальное в зоне постоянного насыщения залежи грунтовыми водами. При этом в верхних горизонтах активного слоя интенсивность осадки в 2–3 раза выше, чем в нижних. Теоретические исследования и практические  расчёты, показали, что этот показатель органогенных почв строго подчиняется географической зональности, увеличивались с севера на юг, что связано прежде всего с климатическими условиями исследуемой зоны и зависит от интенсивности осушения болот, исходной плотности, зольности, степени разложения органической массы и других многочисленных факторов, а ежегодная её сработка – от характера сельскохозяйственного использования.

Сопоставление количественных характеристик суммарной осадки и сработки осушаемых торфяников, связанных с минерализацией последних, позволило отметить, что в северных климатических зонах интенсивность динамики этого процесса замедлена и для повышения плодородия органогенных почв необходимо создавать условия, обеспечивающие увеличение скорости разложения органического вещества, конечно в разумных пределах. В лесостепной подзоне, наоборот, необходимо сдерживать трансформацию торфяных залежей, чтобы сохранить существующую экосистему болотных ландшафтов.

Определение осадки осушаемых органогенных почв по зависимостям (1, 2, 5), для климатических условий Западной Сибири, даёт завышенные результаты на 32–97 %. Поэтому, как бы нам не импонировала простота предлагаемых формул, использовать их для прогноза величины осадки в рассматриваемых условиях, нельзя. Более удовлетворительные результаты даёт формула В.Ф. Митина [9]

где: H3– исходная мощность залежи, м; m= 5 – 0,05; P- пористость торфа, %; tK– проектная глубина канала после осадки, м; yОБ– средняя плотность торфа естественной влажности, г/см3; Т- продолжительность периода (рекомендуется 5 лет).

В этом случае отклонение не превышает 13–24 %. Но эта формула применима только для пятилетнего периода осадки торфа. При расчёте рассматриваемого показателя за более длительные периоды погрешность значительно возрастает.

Нами на протяжении 25 лет проводилась детальная нивелировка поверхности торфяника от постоянных реперов. Створы располагали вдоль дрен и в середине междренных полос. Наблюдения показали, что в климатических условиях лесостепной и подтаёжной подзон Западной Сибири, при среднегодовой температуре воздуха +0,3 – +1,1 0С, в первые 2–3 года после заложения дренажа, осадка предварительно осушенных органогенных почв составила в среднем 2,0–5,5 см/год в зависимости от глубины заложения дрен. В последующие годы происходило замедление этого процесса, интенсивность эксплуатационной осадки, через двадцать лет, снизилась до 0,3–0,5 см/год. За период исследований на площадях, осушаемых дренажными системами с глубиной заложения 1,2 м, общая осадка составила 17,2–19,5 см, при средней интенсивности 0,71–0,76 см/год. При глубоком заложении дрен (1,8 м) значение этого показателя возросло до 28,8 см, соответственно увеличилась и скорость изменения мощности органогенной залежи до 0,93–1,2 см/год. Сопоставление количественных характеристик, полученных нами на стационарах, с данными, полученными в других регионах страны, показывает, что общие закономерности в динамике осадки осушаемых почв низинных болот аналогичны (рисунок 1).  

Количественные различия связаны с меньшей интенсивностью осадки в подзонах Западной Сибири. Детальная проработка натурных данных позволила нам предложить эмпирические формулы для определения эксплуатационной осадки торфа в зависимости от интенсивности осушения болотных массивов. 

  • При экстенсивном осушении:
  • При интенсивном осушении:

где: h – осадка органогенных почв, см; Ндр – глубина заложения дрен, м; Т – продолжительность осадки, лет.

 Приведённые уравнения рекомендуются для прогнозирования величины осадки и сработки залежи на низинных болотах лесостепной и подтаёжной подзон Западной Сибири.

При антропогенном воздействии на болотные системы, кроме естественной осадки торфяных залежей, в них происходит активизация биохимических процессов, вызывающих сработку органического вещества. Опасность полной сработки органики болотных ландшафтов может быть устранена в случае использовании болот под луга. При паровом же использовании почв наблюдается сильная минерализация органического вещества и безвозвратная его потеря.  Скорость сработки гидроморфных почв достигает 17 т/га ежегодно.

При этом высвобождается до 450 кг азота в год. По нашему мнению, гумификация органического вещества с интенсивностью 12–20 т/га в год способна обеспечить выделение азота, в 3–5 раз превышающее  потребность сельскохозяйственных культур, в то время как фосфора и калия освобождается гораздо меньше. Диспропорция соотношения питательных веществ отрицательно сказывается на продуктивности растений.

Биохимическая сработка торфа в Западной Сибири характеризуется незначительными величинами, что обусловлено неблагоприятными климатическими условиями. Так за 32 года сельскохозяйственного использования торфяников в лесостепной зоне Барабинской низменности, уменьшение органического вещества метрового слоя составило 70 т/га, что соответствует 2,2 т/га в год или 0,1% от общего запаса торфа [10-14]. Значительные расхождения в количественных характеристиках, полученных в наших опытах и в условиях центральной Барабы, объясняются, прежде всего, нормой осушения болотных ландшафтов.

Детальные проработки натурных данных, полученных на стационаре с грунтово-напорным водным питанием показывают, что при общем отрицательном балансе органического вещества интенсивность его минерализации различна и связана с положением грунтовых вод и характером использования торфяных почв. При увеличении нормы осушения от 0,5 до 1,0 и 1,5 м абсолютная ежегодная сработка торфяника составляла соответственно 1,28, 1,75 и 4,8 т/га в год. В данном случае осушаемые болотные массивы использовались под многолетние травы. Наличие пожнивных и корневых остатков из – под трав компенсировало потерю органического вещества на 45–68 %. Кроме этого, травостой и дернина уменьшают воздухообмен и температурный режим в зоне аэрации, замедляя при этом интенсивность биохимических процессов в торфе и снижая вероятность ветровой эрозии.

Исследования последних лет показали, что процесс деградации осушаемых органогенных почв изменяется во времени. Отмечается замедление, а в некоторых случаях и стабилизация темпов разрушения органического вещества.  Расход органики варьировал в диапазоне 0–1,32 т/га в год при разной интенсивности осушения. Столь резкое снижение показателей сработки органики в последние годы, связано с уменьшением хозяйственной деятельностью на осушаемых площадях, в результате чего идёт активное пополнение органического вещества.

Обобщение и анализ количественных характеристик потери органики позволяет сделать вывод, что осушаемые гидроморфные почвы Западной Сибири необходимо использовать в луговодческом направлении, как наиболее полно отвечающем их максимальной продуктивности при устранении опасности полной сработки и исчезновения. Важнейшим мероприятием по предотвращению чрезмерной осадки и сработки органогенных почв является соблюдение норм и режимов осушения, разработанных для данных природно – климатических  подзон. 

Литература

  1. Маслов Б.С., Минаев И.В. Мелиорация и охрана природы. М.: Россельхозиздат. 1985. 271 с.
  2. Нестеренко И.М., Матвеев С.Л. Гидромелиоративные исследования на болотах Карелии // Вестник ТГПУ. 2008. С. 69 – 73.
  3. Смирнова А.В.  Трансформация органического вещества низинных торфяных и выработанных почв в условиях  южной тайги  Евро – Северо – Впстока Россссии. Автореферат дисс. Санкт-Петербург. 2015. 21с.
  4. Загорулько А.Н., Багнак П.С., Попов О.Ф. и др. Работа Сарненской НИС по вопросам охраны природы при мелиорации земель / Материалы Всесоюзного научно – технического совещания в г. Сарны «Проблемы комплексной мелиорации земель и охраны природы». Киев. 1981.
  5. Скоропанов С.Г. Мелиорация торфяников и проблема органического вещества // Кн.  Изменение торфяных почв под влиянием осушения и использования. Минск. 1969. С. 21 – 33.
  6. Маслов Б.С. Современные вопросы использования болот в земледелии // Высокие технологии добычи, глубокой переработки и использования озёрно-болотных отложений / Материалы конференции. Томск, 2003. С. 41-59.
  7. Пыленок П.И. К оценке экологической устойчивости осушаемых болотных агроландшафтов (Мещерский фил. ГНУ ВНИИГиМ, Рязань) // Высокие технологии добычи, глубокой переработки и использования озёрно-болотных отложений. Томск, 2003. С. 156-158.
  8. Эггельсман Р. Влияние дренажа на физические свойства торфяников умеренной зоны и его прогнозирование // Кн.  Международный симпозиум по гидрологии заболоченных территорий. Т. 1. Минск, 1973. С. 81 – 87.
  9. Митин В.Ф. Расчёт водного режима осушаемых почв // Гидротехника и мелиорация. 1978. №9. С. 73-85.
  10.  Логинов И.И. Изменение свойств торфяных почв Барабинской низменности Западной Сибири в связи с её мелиорацией // Кн. Материалы Х межд. конгр. почвоведов. М.: 1974. Т. 10. С. 318 – 324.
  11. Пелымская, О. В.Кравченко, Е. Г.Кряхтунов, А. В. Особенности оформления линейных объектов – кабельных линий электропередачи на примере города Тюмени // Современные проблемы науки и образования, 2014, № 4.
  12. Bogdanova, O.V.Chernykh, E.G.Kryakhtunov, A.V. Zonas naturales especialmente protegidas como objeto de actividad inversora // Revista ESPACIOS. – 2018. – Vol. 39 (Number 16). – P. 36. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.revistaespacios.com/a18v39n16/a18v39n16p36.pdf
  13. Simakova T.V.Simakov A.V.Skipin L.N.Chernykh E.G.Starovoitova E.S. Formation of a sustainable system is the basis of rational land use management / Espacios. 2019. Т. 40. № 20. С. 20.
  14. Кряхтунов, А. В. Стратегия развития рынка земель сельскохозяйственного назначения на примере Ишимского муниципального района Тюм. области/ А. В. КряхтуновЕ. Г. КравченкоО. В. Пелымская// Современные проблемы науки и образования, 2014, № 5. – С. 307