Л.В.КИРЕЙЧЕВА, д-р техн. наук, И.В.БЕЛОВА, канд.техн. наук (ВНИИГиМ)
В настоящее время особенно актуально развитие устойчивого земледелия для создания гарантированной кормовой базы животноводства с целью обеспечения населения основными продуктами питания в необходимом объеме. Основой такого земледелия являются продуктивные и экологически устойчивые агроландшафты, в которых наиболее полно реализуется природно-ресурсный потенциал территории. Комплексная мелиорация средство, обеспечивающее устойчивость сельскохозяйственного производства. Применение новых научных направлений, базирующихся на использовании энергетических подходов к оценке мелиоративной деятельности и адаптивно-ландшафтного земледелия, позволило разработать технологию формирования продуктивного и устойчивого агроландшафта, которая включает:
-оценку энергетического состояния природного объекта;
-расчет продукционного потенциала и экологически допустимой величины урожайности сельскохозяйственных культур для конкретных природных условий;
-обоснование видов и объемов мелиораций на основе энергетических и экологических критериев;
-оптимизацию соотношения элементов агроландшафта с использованием ГИС-технологий;
-эколого-экономическое обоснование предложенного комплекса мелиоративных мероприятий.
На мелиорируемых землях происходит существенное изменение энергетического баланса. Для оценки происходящих изменений необходимо учитывать количество входящей и исходящей энергии. Основными компонентами энергетического потока являются: солнечная энергия, энергия почвообразования, энергия химических связей органического вещества зеленых растений, аккумулирующая солнечную энергию в процессе фотосинтеза, и энергия химических связей органического вещества почвы. Определить количество солнечной энергии, используемой основными компонентами агроландшафта в естественных условиях и при мелиоративном воздействии, представляется возможным через турбулентную энергоотдачу почвы и растительного слоя в окружающую среду. Она представляет собой разницу между радиационным балансом, энергией почвообразования и энергией, аккумулированной в продукции фитомассы и почвенном гумусе (рис. 1).
Энергия почвообразования расходуется на три основные статьи: испарение и транспирацию – 95 – 99,5 %, на циклические биологические процессы – 0,5 – 5,0 % и на выветривание – около 1 %. Энергия, аккумулированная в продукции фитомассы, представляет собой затраты энергии на фотосинтез, которые по мнению Волобуева В.Р. составляют 1 % от приходящей энергии. (Волобуев, 1974).
При формировании мелиорированного агроландшафта необходимо стремиться, чтобы величина энергоотдачи снижалась по сравнению с исходным состоянием, т.е. эффективность использования поступающей солнечной энергии увеличивалась (рис. 2). Расчеты показывают, что в гумидной зоне этого возможно достичь проведением осушительных, а в зоне недостаточного увлажнения – развитием оросительных мелиораций. В среднем энергоотдача почвы и растительного слоя в окружающую среду при функционировании мелиоративных систем снижается на 24 %.
На рисунке 2 видно, что для наиболее продуктивных почв – обыкновенных черноземов – энергоотдача в естествен-ных условиях практически сбалансирована, что не требует в большом объеме проведения гидромелиораций. Увеличение эф-фективности использования поступающей солнечной энергии в агрогеосистему способствует повышению продуктивности сельхозугодий.
Продукционный потенциал агроландшафта, включая продуктивность сельскохозяйственных угодий и мелиорируемых земель, определяется в зависимости от почвенно-климатических условий региона, требований к ним сельскохозяйственных культур, а также от технических возможностей сельхозпроизводства (Пегов, Хомяков, 1981).
Расчет продукционного потенциала для различных природных зон России показал, что наиболее продуктивными яв-ляются обыкновенные черноземы, продукционный потенциал которых в естественных условиях достигает 5,0 – 9,6 тыс.к.ед./га (табл. 1).
Таблица 1 – Продукционный потенциал сельскохозяйственных угодий в зависимости от типа почвы
Проведением комплексной мелиорации возможно повысить продукционный потенциал до 5 раз на Европейской части РФ и до 10 раз в условиях юга Западной Сибири. Наиболее отзывчивы на проведение мелиораций дерново-подзолистые, се-рые лесные и бурые полупустынные почвы. Однако достижение продукционного потенциала сельхозугодий может негативно сказаться на экологическом состоянии агроландшафтов из-за высокой антропогенной нагрузки. Поэтому обоснование видов и объемов мелиораций должно проводиться с соблюдением следующих требований:
-увеличение количества энергии, аккумулируемой в продукции фитомассы сельхозкультур и почвенном гумусе;
-обеспечение экологической устойчивости агроландшафта;
-повышение энергетического ресурса почв;
-обеспечение бездефицитного баланса гумуса.
В процессе производства растениеводческой продукции в агроценозе увеличивается количество исходящей энер-гии, выносимой с урожаем, и снижается количество энергии, возвращаемой в почву. Поступающая в биоценоз энергия аккуму-лируется в двух его основных объектах: в зеленых растениях и органическом веществе почв, что обеспечивает увеличение продуктивности агроценоза и повышение содержания гумуса в почве. Для количественной оценки этой энергии предлагается использовать методику расчета биоэнергетического потенциала органического вещества (БЭП), разработанную О.Б.Хохловой (Хохлова, 2007).
Зная элементный состав органической молекулы можно рассчитать БЭП по следующим формулам:
БЭП = 183С+ 45,75Н – 91,5О, (кДж/моль), (4)
где С, Н и О – атомные доли или молекулярные индексы элементов углерода, водорода и кислорода в молекуле органического субстрата.
БЭП = (15,25С + 45,75Н - 5,72О) : (С+Н+О), (кДж/г), (5)
где С, Н и О выражены в %.
Расчеты количества аккумулированной энергии фотосинтеза в урожае сельскохозяйственных культур, выполненные для естественных условий и после проведения комплексной мелиорации, показали, что наиболее полно используются потен-циальные возможности типичных черноземов, а менее всего – бурых полупустынных и дерново-подзолистых почв. На рисунке 3 графически представлено дополнительное количество энергии, которое необходимо для полной реализации продукционного потенциала на различных типах почв.
Необходимое количество энергии для получения потенциально возможной продуктивности колеблется от 12,2 ГДж/га до 24,5 ГДж/га. На бурых полупустынных и дерново-подзолистых почвах количество аккумулируемой энергии максимально, так как комплексная мелиорация способствует наиболее полной реализации природно-ресурсного потенциала.
Непрерывность и постоянство энергетического потока в агрогеосистеме обеспечивается не только постоянным притоком солнечной энергии, наличием элементов питания, оптимальными водными и тепловыми режимами, но и наличием буферного запаса почвенного гумуса. Снижение энергетического запаса органического вещества почвы приводит к снижению устойчивости земледелия, в т.ч. к снижению почвенного плодородия. При планировании устойчивого повышения почвенного плодородия целесообразно использовать энергетический критерий оценки как почвенного гумуса, так и вносимых органических веществ на основе расчетов БЭП. О.Б. Хохловой выявлено, что при одинаковых вещественных потерях гумуса в различных типах почв теряется разное количество биогенной энергии (Хохлова, 2008). С учетом утраченной биогенной энергии гумуса различных типов почв и органического удобрения (ОУ) можно рассчитать коэффициент биоэнергетической ценности удобрения для определенного типа почвы, так как чем больше энергия почвенного гумуса, тем большая доза ОУ требуется для восстановления энергетических потерь почвы.
Важным условием формирования агроландшафта является обеспечение его экологической устойчивости. Устойчивость мелиорированного агроландшафта определяется в зависимости от коэффициента устойчивости каждого компонента, его площади и структуры агрогеосистемы (Кирейчева, Белова, Хохлова, 2006):
Мелиоративная деятельность должна способствовать увеличению энергетического ресурса почвы, исключением являются обыкновенные черноземы, для которых этот показатель при проведении мелиорации незначительно снижается по сравнению с естественным состоянием (табл. 2). Это объясняется тем, что данный тип почвы сформировался в оптимальных естественных условиях и обладает максимальным энергетическим ресурсом, а любое антропогенное воздействие приведет к его уменьшению за счет изменения радиационного баланса. Для остальных типов почв при проведении комплексной мелиорации энергетический ресурс будет повышаться.
После выбора и обоснования возможных мелиоративных мероприятий формируются различные сценарии развития агроландшафта. Возможность осуществления предложенного комплекса мелиораций определяется через вариантные расчеты по модели продуктивности с учетом экологических и энергетических критериев. Оценка приемлемости выбранного сценария производится сравнением объема продуктивности, величин коэффициентов устойчивости и энергетического ресурса с критериальными значениями. Если их значения не удовлетворяет установленным критериям, то производится корректировка намеченного комплекса мелиоративных мероприятий, и расчеты проводятся до тех пор, пока их результаты не будут соответствовать критериальным показателям. Проведение сценарных исследований основано на применении ГИС-технологий, которые позволяют быстро и наглядно представить результаты в виде рекомендательных карт, повышая при этом уровень производительности исследований. Кроме того, при использовании ГИС появляется возможность выполнить оптимизацию соотношения элементов агроландшафта, создавать и редактировать карты и базы данных, просматривать графическую информацию и печатать ее в выбранном масштабе.
Эколого-экономическое обоснование мелиоративных мероприятий выполняется в соответствии с существующими нормативами. В качестве основного критерия для оценки эффективности мелиоративного инвестиционного проекта (МИП) принят дисконтированный прирост чистого дохода от инвестиционной и операционной деятельности (ДПЧД), определяемый как накопленное за весь расчетный период сальдо приростного денежного потока:
Сальдо приростного денежного потока рассчитывается как разность между притоками и оттоками по отдельным видам деятельности (инвестиционной, операционной и финансовой).
При экономическом обосновании величины продуктивности необходимо учесть экологическую составляющую реализации мелиоративного проекта. Эколого-экономический эффект от осуществления проекта определяется ростом цены земли, обусловленным воспроизводством почвенного плодородия за счет проведения комплексных мелиораций. Адаптивный комплекс мелиоративных мероприятий считается эффективным, если дисконтированный прирост чистого дохода положителен, в противном случае мелиоративный инвестиционный проект неэффективен, и требуется его повторное обоснование.
Реализация предложенной технологии выполнена для двух объектов:
-экополигона «Мещера», расположенного в Рязанской обл. на площади 3,7 тыс. га и Барабинской низменности Новосибирской области, площадью 11700 тыс. га.
Проведенные расчеты по оценке продуктивности сельхозугодий экополигона «Мещера» позволяют сделать вывод, что почвы большей части земель истощены и деградированы: содержание элементов минерального питания в почве недостаточно, мощность гумусового горизонта невелика, гидролитическая кислотность повышена. В настоящее время наблюдается низкая фактическая продуктивность обрабатываемых земель (1,16 т к.ед./га) при достаточно высокой потенциальной (4 тыс. к.ед./га), что характеризует уровень сельскохозяйственного производства как низкий, не обеспечивающий полную реализацию продукционного потенциала агроландшафта. Для повышения продуктивности агроландшафта необходимо проведение агротехнических, культуртехнических и химических мелиораций на площади 900 га, реконструкция осушительной системы на площади 500 га, строительство новой осушительной системы на площади 35 га. Это обеспечит среднюю продуктивность сельскохозяйственных угодий 3,25 т.к.е./га при коэффициенте устойчивости агроландшафта 0,71.
Актуальность развития комплексных мелиораций на территории Барабинской низменности Новосибирской области обусловлена неудовлетворительным состоянием сельхозпроизводства в этом регионе, которое выражается в снижении урожайности сельскохозяйственных культур, деградации почвенного покрова из-за недостаточного внесения минеральных и органических удобрений, развития процессов переувлажнения, заболачивания за счет неудовлетворительной работы осушительной системы, подтопление и затопление сельских поселений.
Продуктивность сельскохозяйственных угодий в настоящее время: 0,4 - 0,7 тыс. к.ед./га на основных почвах и только на черноземах выщелоченном и обыкновенном составляет 0,9 тыс.к.ед./га. Почвы бедны питательными элементами, деградируют, воспроизводства почвенного плодородия не происходит, экологическая и энергетическая устойчивость крайне низкая (Ку=0,01-0,13 и Кэ=0,3-0,17). При проведении комплекса мелиоративных и агротехнических мероприятий возможно увеличение продукционного потенциала обрабатываемых угодий до экологически обоснованной величины более 4,0 тыс. к.ед./га при соблюдении всех экологических требований (Белова, Кирейчева, Устинов, 2008).
Расчеты показали, что рекомендуемый адекватный комплекс первоочередных мелиоративных и агротехнических мероприятий включает:
- реконструкцию осушительных систем на площади 21,0 тыс. га;
- реконструкцию систем лиманного орошения (9,2 тыс. га) и строительство новой оросительной системы (0,8 тыс. га);
- проведение агромелиоративных мероприятий на площади 3536,5 тыс. га, включающих химическую мелиорацию солонцов, агротехнические мероприятия и биологические мелиорации;
- культуртехнические работы на площади 500 тыс. га.
Реализация вышеприведенных мелиораций на территории Барабинской низменности экономически обоснована: срок окупаемости проекта находится в пределах 5,2 – 9,2 лет, дисконтированный прирост чистого дохода положителен (1022,32 – 2989,2 млн. руб.). Эколого-экономический эффект за счет увеличения стоимости земель составит 9763,7 млн. руб.
При этом возможно ожидать, что обеспеченность населения мясными и молочными продуктами в 2 и 8 раз соответственно превысит медицинские нормы, что даст возможность импорта сельскохозяйственной продукции за пределы региона.
Для обоснования размещения мелиоративных мероприятий по заказу АПК Новосибирской области была создана компьютерная система, включающая серию электронных карт Барабинской низменности и детальную базу данных по каждому району.
Электронная карта экологически и экономически обоснованной продуктивности сельскохозяйственных угодий Барабинской низменности представлена на рис. 4.
Заключение
1. Предложенная технология формирования устойчивого и высокопродуктивного мелиорированного агроландшафта, основанная на использовании нового теоретического подхода к энергетической оценке состояния почв и расширенному воспроизводству почвенного плодородия, позволяет научно обосновать адекватный комплекс мелиоративных мероприятий. Зная текущее состояние агрогеосистемы, можно оценить необходимое количество энергетических ресурсов, которые нужно вложить для наиболее полной реализации продукционного потенциала сельскохозяйственных угодий и воспроизводства почвенного плодородия. Комплексная мелиорация при этом приобретает природоохранное и природовосстанавливающее значение.
2. Адаптация предложенной технологии с использованием ГИС позволила подобрать адекватный комплекс мелиоративных мероприятий для экополигона «Мещера», включающий гидротехнические, агротехнические, химические и культуртехнические мелиорации. Реализация научно обоснованного комплекса мелиораций будет способствовать повышению устойчивости осушаемых угодий на 33%. В результате строительства новой осушительной системы продуктивность может достичь 2,4 тыс. к.ед./га, а на остальных угодья продуктивность возрастет до 3,7 тыс. к.ед./га. Кроме того, обоснованный комплекс мелиораций не только позволяет сформировать продуктивный и устойчивый агроландшафт, но и является на современном уровне экономически обоснованным.
3. Разработанный для Барабинской низменности Новосибирской области адекватный комплекс мелиоративных и агротехнических мероприятий является экономически обоснованным в данных социально-экономических условиях и позволит достичь экологически обоснованной величины продуктивности 3,0 – 4,8 тыс. к.ед./га, что в 4 – 9 раз больше по сравнению с современным состоянием. При этом будут обеспечены экологические требования: экологическая устойчивость агроландшафтов при положительной динамике запасов гумуса и увеличение энергетического ресурса почвы.
Повышение продуктивности сельхозугодий Барабы позволит увеличить валовой сбор возделываемых кормовых культур до 1453,1 млн. к.ед. при общей потребности в кормах 436,3 млн. к.ед. Дополнительная продукция может быть использована для расширения поголовья скота или реализации кормов в другие районы области. Это будет способствовать повышению экономического потенциала Барабинской низменности, экологизации сельскохозяйственного производства и обеспечению его конкурентоспособности.
Литература:
1. Белова И.В., Кирейчева Л.В., Устинов М.Т. Прогноз продуктивности сельхозугодий Барабинской низменности с использованием ГИС-технологий// Мелиорация и Водное хорзяйство, 2008 №1.
2. Будыко М.И. Климат и жизнь. – Гидрометеорологическое изд-во. Ленинград, 1971. – 470 с.
3. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. – М.: Наука, 1974. – С. 127-128.
4. Голованов А.И. и др. Природообустройство /Под редакцией А.И. Голованова. – М.: «КолосС», 2008. – 545 с.
5. Кирейчева Л.В., Белова И.В., Карпенко Н.П. и др. Технологии управления продуктивностью мелиорируемых агроландшафтов различных регионов Российской Федерации. – М., 2008. – 82 с.
6. Кирейчева Л.В., Белова И.В., Хохлова О.Б. Методология прогнозирования продукционного потенциала и формирование устойчивого мелиорированного агроландшафта. – Сб. «Методы и технологии комплексной мелиорации и экосистемного водопользования», Москва, 2006.
7. Клементова Е., Гейниге В. Оценка экологической устойчивости сельскохозяйственных ландшафтов//Мелиорация и водное хозяйство, № 6, 1995.
8. Лозе Ж., Матье К. Толковый словарь по почвоведению. М.: «Мир», 1998. –398с
9. Пегов С.А., Хомяков П.М. Моделирование развития экологических систем. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991.
10. Хохлова О.Б. Повышение плодородия малопродуктивных и деградированных почв удобрительно-мелиорирующими смесями на основе сапропелей.// Автореферат док. дис. – М. 2007 – 47 с.
11. Хохлова О.Б. Биохимический подход к энергетической оценке органических удобрений. – Мат. международной научно-практической конференции «Агрохимия и экология: история и современность». Том 1. – Нижний Новгород, 2008.