Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблема повышения природно-ресурсного потенциала современных агроландшафтов 8
1.1 Общие представления об агроландшафтах 11
1.2 Принципы районирования и картографирования современных ландшафтов 18
1.3 Оценка природно-ресурсного потенциала агроландшафтов 20
1.4 Мелиоративное преобразование агроландшафтов 28
1.5 Экологические ограничения на показатели антропогенной деятельности при формировании экологически устойчивых и продуктивных агроландшафтов 33
Выводы по главе 1 43
Глава 2 Теоретические предпосылки создания продуктивного и экологически устойчивого мелиорированного агроландшафта 45
2.1 Концептуальная модель формирования продуктивного и устойчивого агроландшафта 45
2.2 Значение комплексных мелиорации в повышении природно-ресурсного потенциала агроландшафтов 48
2.3 Обоснование модели продуктивности агроландшафта 50
2.4 Формирование модели устойчивости мелиорированного агроландшафта 54
2.5 Использование ГИС-технологий как инструмента для информационно-картографического моделирования агроландшафтов 60
2.6 Технология формирования высокопродуктивного и экологически устойчивого агроландшафта 62
Выводы по главе 2 68
Глава 3 Характеристика ландшафтов Рязанской Мещеры, Выбор объекта исследований 70
3.1 Описание ландшафтов Рязанской Мещеры 70
3.2 Выбор объекта исследований и обоснование его типичности 75
Выводы по главе 3 89
Глава 4 Конструирование экологически устойчивого и продуктивного мелиорированного агроландшафта (на примере Рязанской области) 90
4.1 Оценка текущего состояния экополигона "Мещера" 90
4.2 Методика проведения сценарных исследований 106
4.3 Проведение сценарных расчетов по оценке продуктивности и устойчивости при различных схемах размещения мелиорации 111
4.4 Технико-экономическое обоснование сценариев развития агроландшафта 123
4.5 Рекомендации по развитию и размещению комплексных мелиорации в агроландшафте 131
Выводы по главе 4 139
Выводы и рекомендации 141
Список использованных источников 144
Приложения 154
- Принципы районирования и картографирования современных ландшафтов
- Значение комплексных мелиорации в повышении природно-ресурсного потенциала агроландшафтов
- Выбор объекта исследований и обоснование его типичности
- Проведение сценарных расчетов по оценке продуктивности и устойчивости при различных схемах размещения мелиорации
Введение к работе
В настоящее время в связи с интенсивной антропогенной деятельностью наблюдается широкомасштабное развитие деградационных процессов не только на землях сельскохозяйственного назначения, но и в пределах агроландшафтов. Деградация почв в России обусловлена комплексом природных и антропогенных процессов, включающих водную и ветровую эрозию, засоление и заболачивание почв, уплотнение, опустынивание, загрязнение тяжелыми металлами и пр. Общая площадь деградированных земель составляет по разным оценкам 120 — 130 млн. га. Сельскохозяйственные земли на площади 42,6 млн. га подвержены водной эрозии, 26,4 млн. га - ветровой. Засоленные почвы составляют 17,3 млн. га, солонцовые - 22 млн. га. переувлажнению и заболачиванию подвержено 24,1 млн. га.
Земли, подверженные разным типам деградации, обладают низкой продуктивностью, а агроландшафты — слабой экологической устойчивостью. Для преодоления негативных явлений и решения проблемы продовольственной безопасности страны Минсельхозом РФ разработана "Концепция сохранения и восстановления плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006 - 2010 годы".
В соответствии с Концепцией в настоящее время актуальной проблемой является повышение экономического потенциала сельскохозяйственного производства, предполагающее повышение продуктивности обрабатываемых угодий и экологизацию сельского хозяйства в целях обеспечения населения необходимым объемом качественной продукции. Поэтому одной из стратегических задач является повышение экологической устойчивости агроландшафтов с целью создания необходимых условий для сохранения и наиболее полной реализации природно-ресурсного потенциала сельскохозяйственных угодий.
Поэтому научное обоснование комплекса мелиоративных мероприятий для повышения продуктивности и экологической устойчивости будет способствовать решению проблемы сохранения и повышения природно-ресурсного потенциала обрабатываемых земель с целью упреждения негативных последствий сельскохозяйственного производства.
Принципы районирования и картографирования современных ландшафтов
Цель ландшафтного районирования заключается в выделении конкретных объектов или регионов разного уровня, проводимое на основе определенной систематики природных комплексов. При районировании территории главным критерием служит не сходство, а пространственное отношение, территориальная целостность, а также общность их исторического развития. В результате создается система региональных единиц, в которой каждый объект или район индивидуален, что и закрепляется его названием. Вопросами районирования и картографирования ландшафтов занимались многие ученые географы: Исаченко А.Г., Мильков Ф.Н., Михайлов Н.И., Николаев В.А., Мамай И.И. и др.
Любой ландшафтный район включается в региональные подразделения более высокого ранга, но в то же время сам состоит из объектов более низкого уровня районирования. Самой крупной единицей считается континент. Это крупный компактный массив суши, которому в рельефе соответствует геоструктура первого порядка. За ним следует субконтинент, часто не имеющий отчетливых границ. Более четко обособляются физико-географические страны. Критерии их выделения следующие: 1) крупная морфоструктура, испытывающая однотипные неотектонические движения; 2) сходные макроклиматические условия; 3) особенности ландшафтной структуры (равнинные или горные). Следующей единицей является ландшафтная область, в которой ландшафты объединяются по сходной литогенной основе, стоку и местному климату. Область может делиться на провинции или физико-географические районы. Замыкает азональный ряд районирования ландшафт.
Специфика районирования агроландшафтов заключается в рассмотрении критериев выделения таксономических единиц с точки зрения антропогенного воздействия, т.е. с позиции определения направленности развития ландшафта, которое необходимо учитывать при осуществлении сельскохозяйственной деятельности.
Для представления пространственной модели ландшафтного или агро-ландшафтного устройства проводят картографирование. Анализ природных компонентов, особенностей построения природных и антропогенных комплексов опирается на ландшафтные карты, которые используются для решения ряда задач оценочного, прогнозного или информационного характера. Атрибутами ландшафтных карт являются классификационная таблица (для больших карт) и текстовая легенда. Они взаимно дополняют друг друга и позволяют сделать вывод о том, какие ландшафтные подразделения являются преобладающими, каково иерархическое устройство систем и их внутренняя структура.
После определения границ агроландшафта на местности возможно оценить его природный потенциал, т.е. те ресурсы, которые человек может вовлекать в хозяйственную деятельность при данных возможностях общества.
Каждый агроландшафт, также как и естественный характеризуется при-родно-ресурсным потенциалом. Природно-ресурсныи потенциал (Реймерс, 1990) — «способность природных систем без ущерба для себя (а следовательно и для людей) отдавать необходимую человечеству продукцию или производить полезную для него работу в рамках хозяйства данного исторического типа».
Природно-ресурсныи потенциал ландшафта определяется следующими факторами: климатическими условиями; морфологическим устройством поверхности; качеством почвенного покрова; водообеспеченностью территории; продуктивностью фитоценозов.
На основе анализа факторов, определяющих агроэкологические предпосылки сельскохозяйственного производства каждого ландшафта, можно сделать вывод о его пригодности или непригодности для использования в земледелии. Большинство современных методов агроэкологической оценки земель направлено на количественный анализ возможности выполнения ими своих основных агроэкологических функций (Rossiter, 1996, Singer, Ewing, 2000). Перечень этих функций велик и включает: комплексные функции плодородия и продуктивности земель (Карманов, 1990, Land evaluation, 1991), генетическое разнообразие почв, своеобразие конкретного агроландшафта, степень отклонения характеристик земель от оптимальных значений (Кирюшин, 1996, Козловский, 1991, Вошпа, 2000, Land quality indicators..., 1997, Wagenet, 1993).
В процессе сельскохозяйственной деятельности человек стремится получать максимальную продукцию в агроценозе. Сделать это возможно либо, направив все силы на реализацию поставленной задачи при возможном уменьшении природно-ресурсного потенциала, либо распределить вложение энергии на мероприятия по выращиванию сельхозкультур и мероприятия, компенсирующие негативные воздействия при этом. Второй вариант наиболее приемлем, так как факторы, определяющие природно-ресурсныи потенциал не ухудшаются, а следовательно и потенциал не снижается. Агроландшафт может безболезненно "отдавать" свою продукцию, только обладая высокой экологической устойчивостью. Поэтому, по нашему мнению, оценить природно-ресурсныи потенциал агроландшафта можно с помощью двух интегральных показателей: биопродуктивности, характеризующей величину производимого продукта, и экологической устойчивости, определяющей степень возможности функционирования агроландшафта без проявления деградационных процессов.
В настоящее время в литературе пока не существует единого мнения по определению термина "экологическая устойчивость". Некоторые определения приведены в таблице 1.1. понимается способность ландшафта поддерживать свои параметры (продуктивность, плодородие почв и т.д.) в заданных пределах в течение всего срока функционирования при заданном антропогенном воздействии.
Устойчивость может рассматриваться по отношению к природным процессам и явлениям, факторам круговоротов веществ, потоков энергии, причем как в связи с антропогенной деятельностью, так и вне ее. Продуктивность и устойчивость взаимосвязаны: биопродуктивность является и мерой и откликом устойчивости, а устойчивость характеризуется продуктивностью. Савельев А.В. (2000г.) для оценки устойчивости агроландшафта предлагает использовать преобразованное им классическое уравнение устойчивости: где N - ежегодный прирост биомассы, ц/га; К - «несущая» способность среды - объем биомассы; г — отношение прироста биомассы опаду с учетом естественной и культурной растительности; По данной зависимости предоставляется возможным оценить изменение структурной устойчивости природной системы при различном соотношении естественной (лес) и культурной растительности. Но при этом не учитывается ряд других немаловажных показателей, например почвенные характеристики или климатические параметры. В качестве количественной характеристики экологической устойчивости природных систем также можно использовать информационную меру разнообразия (Маслов Б.С. и др., 1996)
Значение комплексных мелиорации в повышении природно-ресурсного потенциала агроландшафтов
В соответствии с предложенной концептуальной моделью (п. 2.1) комплексные мелиоративные мероприятия являются основным способом увеличения объема биопродуктивности и коэффициента экологической устойчивости агроландшафта.
Комплекс мелиорации в настоящее время должен содержать экомелио-ративные мероприятия, обеспечивающие экологически устойчивое развитие аг-роландшафтов, и комплекс адаптивных мероприятий, предполагающий поддержание продуктивности агрогеосистемы на заданном уровне. Комплексные мелиорации, представленные в таком ракурсе, повышают природно-ресурсныи потенциал агроландшафтов и обеспечивают наиболее полную его реализацию.
Повышение природно-ресурсного потенциала происходит при увеличении величин интегральных показателей состояния агроландшафта - биопродуктивности и экологической устойчивости. Поэтому количественно роль комплексной мелиорации возможно оценить по этим двум показателям.
Природно-ресурсный потенциал определяется такими факторами как климат, морфология поверхности, качество почвенного покрова и т.д. Среди климатических факторов важнейшими являются теплообеспеченность и атмосферное увлажнение. Орошение и осушение, как основные типы комплексной мелиорации, позволяют регулировать гидротермический режим территории. Орошение земель приводит к увеличению влажности почв, дренаж на осушаемых землях создает необходимый микроклимат для растений: понижается влажность приземного слоя атмосферы и повышается температура. Тем самым гидромелиорация компенсирует изменение теплового баланса территории, создавая необходимый микроклимат в тех случаях, когда природные условия не соответствуют требованиям растений.
Неблагоприятные морфологические факторы могут привести к возникновению водной эрозии, дефляции, образованию карста, что влечет за собой снижение природно-ресурсного потенциала. Так как эрозия является наиболее распространенным видом деградации почвы, то ущерб от нее наиболее существенный, и заключается не только в механическом перемещении грунта, но и в выносе растворимых соединений, причем в наиболее доступной для растений форме. В этом случае обоснованное сочетание нескольких видов мелиорации (агролесомелиоративная, культуртехническая, химическая и др.) позволит ликвидировать дефицит элементов питания растений, улучшить агрофизические свойства почв, предотвратить эрозию и т.д.
Каждый из видов «сухих» мелиорации, сопровождающих базовую водную мелиорацию, способен в автономном применении повысить продуктивность земель на 15-20%. Максимальный эффект достигается при совместном рациональном применении нескольких видов мелиорации (Концепция мелиорации сельскохозяйственных земель в России, 2005). Комплексность — необходимое условие высокоэффективного мелиоративного земледелия. Соблюдение принципа комплексного подхода позволяет существенно повысить эффективность применяемых технических средств и энергетических ресурсов. Научно обоснованное сочетание различных видов и режимов мелиорации ведет к наиболее полному использованию природно-ресурсного потенциала конкретного агроландшафта. Таким образом, комплексную мелиорацию можно охарактеризовать как инструмент экологического, адаптивно-ландшафтного земледелия, а ее роль приобретает природоохранный и природовосстанавливающий характер.
Продуктивность можно охарактеризовать как "меру отклика" агроландшафта на комплексные мелиоративные воздействия. Отсюда возникает потребность количественно определить уровень получаемой биопродукции, являющийся одним из интегральных показателей состояния агроландшафта. В дальнейшем это позволит делать прогнозы влияния комплексных мелиорации на состояние агрогеосистемы.
Выполненный в главе 1 анализ показал, что наиболее точно такой подход отражен в модели расчета продуктивности, разработанной Пеговым С.А. и Хомяковым П.М. (Пегов, Хомяков, 1991). Проанализируем детально составляющие формулы (1.12). Индекс почвы: где 6,4; 8,5; 5,1 — весовые коэффициенты; Gnc и вфк — содержание гумат-ного и фульватного гумуса соответственно, т/га; N, Р, К- содержание в почве азота, фосфора и калия соответственно, в долях от максимального; Нг — гидролитическая кислотность, мг-экв/100г.
Так как величина биопродукции напрямую зависит от качества почвы, то необходимо было оценить те объективные количественные показатели, которые характеризовали бы плодородие почвы - «основное свойство, обусловливающее уникальность почвы как естественно-исторического тела» (Докучаев, 1948). На основе анализа имеющихся данных Пегов и Хомяков выбрали следующие факторы: запасы гумуса, запасы основных элементов минерального питания, находящихся в доступных и полудоступных для растений формах, и гидролитическую кислотность. Конечно, на плодородие почвы влияют и другие параметры (рН, механический и агрегатный состав почв, ЕКО и т.д.), но выбранные факторы косвенно характеризуют большинство других свойств, влияющих на плодородие. Таким образом, индекс почвы можно принять как интегральный показатель плодородия почвы.
Выбор объекта исследований и обоснование его типичности
В качестве объекта исследований был выбран экополигон "Мещера", расположенный на территории Мещерской низменности, на западе Рязанской Мещеры. Типичность экополигона устанавливалась на ландшафтно-генетической основе с использованием ландшафтной карты Рязанской Мещеры. Для составления ландшафтной карты экополигона и оценки его текущего состояния в 2004 г. были проведены полевые исследования, включающие:
Рекогносцировочное обследование экополигона для сбора общей информации об объекте (хозяйственное использование земель, почвы объекта и другая имеющаяся информация). Площадь экополигона составляет 3677 га и включает в себя лес (2700 га), осушаемые земли (500 га), пастбище, неорошаемую пашню, заброшенные орошаемые земли (111 га), дачные участки и урбанизированную территорию сельского типа (деревню Полково) (рисунки 3.3-3.6). Оросительно-осушительная сеть была построена в 1980-1981 г.г. Орошение проводилось на двух участках, общей площадью 111 га. На 1-м участке площадью 33 га полив осуществлялся аппаратами ДД-30. Площадь второй оросительной системы 78 га. Для полива использовалась закрытая оросительная система, включающая передвижную насосную станцию СНП-75/100, канал и сеть подземных трубопроводов. Полив осуществлялся дождевальной машиной "Фрегат". В настоящее время орошение не проводится.
Осушительная часть системы (общей площадью 500 га) представлена магистральным каналом длиной 5 км, редкой сетью открытых каналов и закрытым дренажом из керамических труб на площади 224 га. Средняя глубина заложения дрен 1,3 м, расстояние между дренами 20 м, их длина 100-200 м, уклон 0,002, диаметр коллекторов 250 мм, дрен 50 мм. Осушительная система длительное время не подвергалась ремонту и реконструкции, поэтому сейчас ее состояние можно оценивать как неудовлетворительное.
Почвенные исследования. В процессе исследований для детального описания почвенных характеристик автором в 2004 г. было проведено изучение агрофизических и агрохимических свойств почв, для чего в 15 точках в соответствии с ГОСТом 28168-89 был произведен отбор почвенных проб. В результате анализа были определены следующие почвенные характеристики: содержание азота, фосфора и калия, содержание гумуса, мощность гумусового горизонта, гидролитическая кислотность, рН, содержание физической глины и гранулометрический состав. Это необходимо было, во-первых, для более подробного описания почв экополигона, а во-вторых, указанные показатели использовались для оценки текущего состояния агроландшафта, в частности, для определения продуктивности и экологической устойчивости.
Для агрохимического анализа была взята смешанная проба почвенного образца из пахотного слоя. Смешанная средняя проба была составлена из отдельных образцов, взятых только в пределах одной почвенной разности. На картографической основе в пределах каждого угодья выделялся элементарный участок, на который наносились точки отбора проб по методу "конверта".
В точках, намеченных для взятия образцов, предварительно лопатой удалили все остатки растительности. Точечные пробы отбирались буром. При взятии образцов избегались нехарактерные места, такие как площадки из-под куч навоза и прочих удобрений, западин, полос около дорог и т.д. На пахотных почвах точечные пробы отбирались на глубину пахотного слоя, на сенокосах и пастбищах — на глубину гумусо-аккумулятивного горизонта, но не глубже 10 см.
Из точечных проб, отобранных с элементарного участка, составлялась объединенная проба, массой не менее 400 г. Номер объединенной пробы соответствовал номеру элементарного участка. Отобранные в течение дня пробы подсушивались в раскрытых мешочках в сухом проветриваемом помещении.
Определение рН проводилось в соответствии с ГОСТом 26483-85, содержание Р205 и К20 - по ГОСТу 26207-91, содержание органического вещества -по ГОСТу 26213-91, величина гидролитической кислотности - по ГОСТу 26212-91, содержание общего азота определялось по Кьельзалю, гранулометрический состав почвы — по методу Качинского.
Почвы участка дерново-подзолистые песчаные и супесчаные. На рисунке 3.7 представлена почвенная карта экополигона, составленная сотрудниками Мещерского филиала ВНИИГиМ. Результаты исследования агромелиоративных свойств почвы приведены в таблице 3.1. Анализ результатов проведенных исследований позволил охарактеризовать почвы объекта: сильнокислые почвы характерны для леса, дачных участков, пастбища; среднекислые — для торфяников и части леса; слабокислые — для части пашни; близкие к нейтральным и нейтральные — для бывших орошаемых земель и обрабатываемой пашни;
Проведение сценарных расчетов по оценке продуктивности и устойчивости при различных схемах размещения мелиорации
Первый сценарий предполагает проведение комплекса мелиоративных мероприятий, представленных в таблице 4.14.
Для предупреждения сработки гумуса, воспроизводства плодородия почв на всех обрабатываемых угодьях рекомендуется вносить органические удобрения. В настоящее время наиболее эффективно, особенно на песчаных и супесчаных почвах, применение органо-минеральных удобрений (удобрительно-мелиорирующих смесей), действие которых направлено на увеличение содержания гумуса и стимулирование процессов гумусообразования.
Для планировки и выравнивания поверхности земель, рыхления переуплотненных почв применяются культуртехнические мелиорации. На землях с низким содержанием физической глины следует провести мероприятия, способствующие ее увеличению (оструктуривание почв) до оптимального значения. С целью повышения продуктивности и устойчивости Келецкого ландшафта залежь (т.2) вводится в севооборот.
Для повышения величины индекса почвы следует привести значения почвенных показателей к оптимальным, т.е. обеспечивающим критериальные значения биопродуктивности и коэффициента экологической устойчивости. На основе анализа показателей почвенного плодородия (содержание гумуса и элементов минерального питания, кислотность почвы и толщина гумусового горизонта почвы) в настоящей работе оптимальными считаются значения почвенных показателей, не превышающие 10%-ого отклонения от характерной для данных условий величины почвенной характеристики (K(Hi, Thj, pHf, /NPK7H ,9).
Предполагаем, что значение оптимальной гидролитической кислотности будет соответствовать индексу почвы, равному 90% максимального значения, т.е. 0,9 5,1 = 4,59. Из этого следует, что: Содержание физической глины на обрабатываемых угодьях необходимо повысить до Q=0,75, так как данные расчетов индекса почвы и продуктивности показывают, что даже при 25%-ом отклонении от оптимального величины этих показателей находятся на уровне, достаточном для обеспечения обоснованных значений продуктивности и коэффициента устойчивости агроландшафта.
Значения коэффициента устойчивости по каждому выделу после реализации первого сценария представлены в таблице 4.15. Так как все почвенные показатели в точках 10 и 5 находятся на высоком уровне, то устойчивость этих угодий практически не изменится при внесении УМС.
Коэффициент устойчивости при совокупности оптимальных показателей Результаты расчета коэффициента устойчивости каждой местности и агроландшафта в целом приведены в таблице.
Так как коэффициент устойчивости агроландшафта в целом меньше критериальной величины (Ку щ" =0,47 0,7), то агроландшафт характеризуется как экологически неустойчивый. Анализируя результаты расчетов, можно сделать вывод, что применение "сухих" мелиорации при плохой работе осушительной системы ведет к снижению устойчивости осушаемых угодий. Продуктивность сельскохозяйственных земель повысится по сравнению с текущим состоянием за счет ликвидации дефицита минеральных удобрений и известкования почвы. Но в целом агроланд-шафт остается неустойчивым, поэтому первый сценарий не приемлем к реализации.
Для второго сценария рассмотрим только проведение осушительных мелиорации, включающих реконструкцию старой осушительной системы (т.т. 7,9,10,12,13,14,15) и строительство новой на участке вторичного заболачивания (т.8). Значение нормы осушения должно находиться в оптимальных пределах, поэтому преобразованная для расчетов величина нормы осушения принята равной 0,9 (Dj=0,9). При значении Ку = 0,46 0,7 агроландшафт экологически неустойчив.
Осуществление второго сценария позволит повысить экологическую устойчивость осушаемых угодий (Куосуш-0,88), но коэффициент устойчивости аг-роландшафта в целом не соответствует критериальному. Продуктивность сельскохозяйственных угодий будет находиться на уровне современного состояния, так как не вносятся минеральные удобрения, недостаток которых в большей степени влияет на величину индекса почвы. После осушения в почве становится больше азота, но, в данном случае, это не окажет существенного влияния, потому что содержание его и так достаточно высокое. Кроме того, не происходит пополнения почв органическим веществом, что способствует сработки гумуса и снижению плодородия почв. Все вышеуказанные факторы свидетельствуют о неприемлемости такого сценария.
Третий сценария комплексный, включающий совместное применение мероприятий, указанных в первом и втором вариантах. Этот сценарий должен обеспечить высокую культуру производства, что обязательно скажется на повышении продуктивности сельскохозяйственных земель. Расчетные значения коэффициента устойчивости по каждому выделу приведены в таблице 4.19.