ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТРАНСФОРМАЦИИ ПОЧВЕННО-МЕЛИОРАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ АГРОЛАНДШАФТОВ В НИЗОВЬЯХ РЕКИ СЫРДАРЬЯ В УСЛОВИЯХ МЕЛИОРАЦИИ ЗЕМЕЛЬ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология № 4 2016

УДК 631.95

Доктор техн. наук Ж.С. Мустафаев 1 Доктор техн. наук А.Т. Козыкеева 1

К.С. Абдывалиева 2

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТРАНСФОРМАЦИИ ПОЧВЕННО-МЕЛИОРАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ АГРОЛАНДШАФТОВ В НИЗОВЬЯХ РЕКИ СЫРДАРЬЯ В УСЛОВИЯХ МЕЛИОРАЦИИ ЗЕМЕЛЬ

Ключевые слова: анализ, оценка, система, систематизация, засоление, почва, процесс, экология, антропогенная, природа, методика, динамика, земля, агроландшафт

На основе систематизации многолетних информационно-аналитических материалов по засолению почв агроландшафтов Кы-зылординской области в разрезе орошаемых массивов разработана методика оценки уровня трансформации почвенно-мелиоративных процессов и экологического состояния с использованием индекса Шеннона, которые позволяют определить интенсивность и направленность трансформации почвенно-мелиоративных процессов агроландшафтных систем в условиях антропогенной деятельности.

Мелиорация сельскохозяйственных земель - это один из способов повышения продуктивности агроландшафтов с целью обеспечения продовольственной безопасности населения. Одновременно она приносит серьезные проблемы, прежде всего, геоэкологического характера, т.е. превращение естественного ландшафта в агроэкосистему всегда приводит к очень глубоким преобразованиям территории.

Масштабные изменения почвенно-мелиоративного состояния аг-роландшафтных систем, происходящие в экологически неустойчивой природной среде низовьев р. Сырдарьи с низким биологическим потенциалом, неблагоприятным для интенсивной хозяйственной деятельности, привели к тому, что почвенная среда в значительной степени преобразована.

В связи с необходимостью анализа изменений почвенно-мелиоративных процессов в агроландшафтных системах и сложившихся

1 Казахский национальный аграрный университет, г. Алматы, Казахстан;

2 КазНИИ рисоводства им. Ы. Жакаева, г. Кызылорда, Казахстан

гидрогеохимических ситуациях геоэкологическая оценка трансформации почвенных процессов в низовьях р. Сырдарьи в условиях интенсивной мелиорации земель очень важны для реализации начальных этапов различных проектов в области природопользования.

Цель исследования - разработка методики геоэкологической оценки почвенно-мелиоративных процессов, выявление и анализ закономерностей антропогенной трансформации почв агроландшафтов Кызы-лординской области как базового компонента природно-технических систем (техногеосистем) в низовьях р. Сырдарьи.

Материалы и методы исследования. Для геоэкологической оценки почвенно-мелиоративных процессов агроландшафтных систем использованы многолетние информационно-аналитические материалы Государственного гидрогеологического института (ГГИ) России, института почвоведения АН РК, Южно-Казахстанской и Кызылординской мелиора-тивно-гидрогеологических экспедиций, а также литературные источники за 60 лет [3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11]. Анализ показывает, что воздействие орошения на почву многогранно (табл. 1).

Таблица 1

Почвенно-мелиоративное состояние массивов орошения в низовьях р. Сырдарьи (Кызылординская область)

Мелиоративное состояние почвы

Год незасоленные слабо засоленные средне засоленные сильно засоленные

1960 Казалинский массив орошения (59450 га) 22450 8100 3000 25900

1970 20160 8700 5460 25130

1980 14700 9260 7210 28280

1985 6850 10128 14260 28212

1990 4200 13267 15180 26803

1995 3586 12640 17520 27430

2000 3013 14120 14887 27430

1960 Куан-Жанадарьинский массив орошения (67100 га) 1000 28700 6300 31100

1970 1000 28100 7400 30600

1980 950 28500 7950 29700

1985 950 29100 8150 28900

1990 940 29600 8260 28300

1995 920 28200 9450 28530

2000 900 27282 10918 30000

1960 Кызылординский массив орошения (128900 га) 32200 30500 12500 53700

1970 30100 28500 13600 56700

Мелиоративное состояние почвы

Год незасоленные слабо засоленные средне засоленные сильно засоленные

1980 29500 27630 14200 57570

1985 29150 26500 15000 58250

1990 28100 26150 16500 58150

1995 26100 25400 17450 59950

2000 25450 24600 18500 60350

1960 Шиели-Жанакорганский массив орошения (45600 га) 10700 5800 8000 21100

1970 9200 6820 16150 13430

1980 7150 10520 14500 13430

1985 5420 15200 11000 13980

1990 3327 17771 15730 8772

1995 3059 23000 10153 9388

2000 2980 23500 11420 7700

1960 Тогускенский массив орошения (31500 га) 14100 6500 5000 5900

1970 13100 7100 6180 5120

1980 12200 6800 8000 4500

1985 11000 5000 12000 3500

1990 10000 3000 14500 4000

1995 9640 2980 15080 3800

2000 8500 2850 16950 3200

Теоретической и методологической основой работы является системный подход к почвенно-мелиоративному исследованию агроландшафтных систем, а также система общих принципов и общенаучных подходов - комплексного и интегрального, общенаучных и специальных методов математического, статистического и корреляционно-регрессивного анализа.

Результаты исследования. В настоящее время методы эквивалентного сопоставления разнородных показателей применяются для оценки технического уровня проектных решений в мелиоративной науке [6, 11]. Поэтому, для геоэкологической оценки трансформации почвенно-мелиоративных процессов агроландшафтных систем, можно использовать показатель, характеризующий отношения количественного изменения поч-венно-мелиоративного состояния почвы по степени засоления к общей площади, занимаемой агроландшафтами в системе природопользования [7]:

Ь

ту- _ а

Ь

оа

где Ьсо - общая площадь агроландшафтов в системе природопользования, га; Ь^ - площадь агроландшафтов по I - степени засоления почвы в аг-

роландшафтных системах, га; Кы - коэффициент, характеризующий изменения почвенно-мелиоративных процессов в агроландшафтных системах в условиях мелиорации или антропогенной деятельности.

Для геоэкологической оценки интенсивность трансформации поч-венно-мелиоративных процессов в агроландшафтных системах в результате мелиорации, можно использовать обобщенный показатель Кт1ж, который определяется по формуле [7, 13]:

Ктпм = 1 £К'г ,

где Ктпм - показатель, характеризующий интенсивность трансформации почвенно-мелиоративных процессов в агроландшафтных системах; К'г = ехр(— Кг) - относительные значения уровня трансформации почвенно-мелиоративных процессов в агроландшафтных системах [2].

На основе информационно-аналитических материалов, представленных в табл. 2, характеризующих гидрогеохимическое состояние агро-ландшафтных систем Кызылординской области в разрезе массивов орошения определено количественное значение коэффициента, характеризующего изменения направленности почвенно-мелиоративных процессов в условиях мелиорации или антропогенной деятельности.

Таблица 2

Количественное значение коэффициента, характеризующего изменение почвенно-мелиоративных процессов агроландшафтных систем в условиях мелиорации или антропогенной деятельности в условиях Кызылординской области

Коэффициент

Год ттАООРЛ ТТРиикТР слабо средне сильно

незасоленные (К т1) засоленные засоленные засоленные

( Кслзг ) ( Ксрзг ) ( Ксизи )

1960 Казалинский массив орошения (59450 га) 0,378 0,136 0,050 0,436

1970 0,339 0,146 0,092 0,423

1980 0,247 0,156 0,121 0,476

1985 0,115 0,170 0,240 0,475

1990 0,070 0,223 0,255 0,452

1995 0,060 0,213 0,294 0,433

2000 0,050 0,237 0,250 0,463

1960 Куан-Жанадарьинский массив орошения (67100 га) 0,015 0,428 0,094 0,463

Коэффициент

Год НР'ЭЯРП ТТРННкТР слабо средне сильно

незасол хенные (к нт) засоленные засоленные засоленные

( Кслз, ) ( Ксрзг ) ( Ксизи )

1970 0,015 0,418 0,110 0,457

1980 0,014 0,424 0,118 0,444

1985 0,014 0,433 0,121 0,432

1990 0,014 0,441 0,123 0,422

1995 0,014 0,420 0,140 0,426

2000 0,013 0,406 0,163 0,418

1960 Кызылординский массив орошения (128900 га) 0,250 0,237 0,097 0,416

1970 0,233 0,221 0,106 0,440

1980 0,229 0,214 0,110 0,447

1985 0,226 0,206 0,116 0,452

1990 0,218 0,203 0,128 0,451

1995 0,202 0,197 0,135 0,466

2000 0,197 0,191 0,143 0,469

1960 Шиели-Жанакорганский массив орошения (45600 га) 0,235 0,127 0,175 0,463

1970 0,201 0,150 0,354 0,295

1980 0,157 0,230 0,319 0,294

1985 0,119 0,333 0,242 0,306

1990 0,073 0,390 0,345 0,192

1995 0,067 0,504 0,224 0,205

2000 0,065 0,515 0,251 0,169

1960 Тогускенский массив орошения (31500 га) 0,448 0,206 0,159 0,187

1970 0,416 0,225 0,196 0,163

1980 0,387 0,215 0,253 0,145

1985 0,349 0,159 0,380 0,176

1990 0,317 0,095 0,460 0,128

1995 0,306 0,094 0,478 0,122

2000 0,270 0,093 0,538 0,099

Как видно из данных табл. 2, на всех орошаемых массивах Кызы-лординской области наблюдается общая тенденция трансформации неза-соленных почв в слабо засоленные, слабо засоленных в средне засоленные и средне засоленных в сильно засоленные почвы, что определяется процессами двухстороннего засоления сложившегося в низовьях р. Сырдарьи. Это выветривание солей с высохшего дна Аральского моря и участием высокоминерализованных оросительных и грунтовых вод на геологический круговорот в агроландшафтных системах. При этом следует отме-

тить, что при оценке почвенно-экологической ситуации агроландшафтных систем в прогнозных расчетах учитывают долю площади земли занимающих слабо засоленные, средне засоленные и сильно засоленные почвы, которые оказывают влияние на формирование почвенно-мелиоративного состояния орошаемых массивов. С такой позиции определено значение коэффициента, характеризующего уровень трансформации почвенно-мелиоративных процессов агроландшафтных систем в разрезе орошаемых массивов Кызылординской области (табл. 3).

Таблица 3

Значения коэффициента, характеризующего уровень трансформации почвенно-мелиоративных процессов агроландшафтных систем в разрезе орошаемых массивов Кызылординской области

Показатель, характеризующий Показатель,

отношения количественных изменений характеризующий

почвенно-мелиоративного состояния по интенсивность

степени засоления трансформации

Год слабо почвенно-

средне сильно мелиоративных

засоленные засоленные засоленные процессов в

( к л ) ( к р ) ( к и ) агроландшафтных системах ( Ктпм ) ^ тпм '

Казалинский массив орошения (59450 га)

1960 0,873 0,951 0,647 0,267

1970 0,864 0,912 0,655 0,281

1980 0,856 0,886 0,621 0,314

1985 0,843 0,787 0,621 0,358

1990 0,800 0,775 0,636 0,372

1995 0,808 0,745 0,648 0,376

2000 0,789 0,778 0,629 0,378

Куан-Жанадарьинский массив орошения (67100 га)

1960 0,651 0,910 0,629 0,390

1970 0,658 0,896 0,633 0,389

1980 0,654 0,888 0,641 0,389

1985 0,648 0,886 0,649 0,390

1990 0,643 0,884 0,656 0,389

1995 0,657 0,869 0,653 0,385

2000 0,666 0,849 0,658 0,390

Кызылординский массив орошения (128900 га)

1960 0,788 0,907 0,659 0,314

1970 0,801 0,899 0,644 0,319

1980 0,807 0,895 0,639 0,321

1985 0,814 0,890 0,636 0,321

Показатель, характеризующий Показатель,

отношения количественных изменений характеризующий

почвенно-мелиоративного состояния по интенсивность

степени засоления трансформации

Год слабо почвенно-

средне сильно мелиоративных

засоленные засоленные засоленные процессов в

(к Г) (к р) (к и) агроландшафтных системах (Ктгш)

1990 0,816 0,879 0,637 0,324

1995 0,821 0,874 0,627 0,329

2000 0,826 0,866 0,625 0,295

Шиели-Жанакорганский массив орошения (45600 га)

1960 0,880 0,839 0,629 0,318

1970 0,860 0,702 0,744 0,330

1980 0,794 0,727 0,745 0,344

1985 0,716 0,785 0,736 0,357

1990 0,677 0,708 0,825 0,371

1995 0,604 0,799 0,814 0,373

2000 0,597 0,778 0,844 0,374

Тогускенский массив орошения (31500 га)

1960 0,814 0,853 0,829 0,241

1970 0,798 0,822 0,849 0,254

1980 0,806 0,776 0,865 0,264

1985 0,853 0,684 0,838 0,300

1990 0,909 0,631 0,880 0,289

1995 0,910 0,620 0,885 0,293

2000 0,911 0,584 0,905 0,306

Расчет показывает, что значения коэффициентов, характеризующих уровень трансформации почвенно-мелиоративных процессов на Ка-залинском массиве орошения, увеличились с 0,267 до 0,378, что свидетельствует об очень высокой интенсивности трансформации гидрогеохимических процессов в условиях мелиорации земель. На Куан-Жанадарьинском массиве орошения при высокой степени в естественных засоленных почвах значения коэффициента, характеризующего уровень трансформации почвенно-мелиоративных процессов изменился с 0,385 до 0,390, а на Кызылординском массиве орошения с 0,314 до 0,390, что указывает на высокий темп трансформации гидрогеохимических процессов.

На Шиели-Жанакорганском массиве орошения коэффициент изменился с 0,318 до 0,374, что показывает на невысокую интенсивность трансформации гидрогеохимических процессов. На Тогускенском массиве

орошения этот показатель изменялся с 0,241 до 0,306, т.е. высокая интенсивность трансформации гидрогеохимических процессов (рис. 1).

^тл 0.45 г

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

1955 1960 1965 1970 197 5 19S0 19S5 1990 1995 2000

Год

Рис. 1. Изменение коэффициента, характеризующего трансформацию почвенно-мелиоративных процессов (Ктпм) во временном масштабе. 1 -

Казалинский массив орошения, 2 - Куан-Жанадарьинский массив орошения, 3 - Кызылординский массив орошения, 4 - Шиели-Жанакорганский массив орошения, 5 - Тогускенский массив орошения.

При этом следует отметить, чем выше естественное засоление почвы по степени и площади, тем меньше интенсивность трансформации гидрогеохимического процесса, которая показывает определенную внутреннюю устойчивость к антропогенным процессам.

В качестве структурных характеристик экосистем могут быть использованы показатели видовой, размерной, трофической структуры, структуры потоков. Для количественной характеристики структуры чаще всего используются разные индексы, среди которых наиболее часто - индекс Шеннона (H ) [1]:

H = 2 (N / N) • lg2( N, / N),

где Ni - численность i -го вида; N - численность всех видов.

Индекс Шеннона, отражает разнообразие и степень сложности структуры: сложно организованные сообщества, более разнообразные, характеризуются высокими значениями индекса и, наоборот, чем более простое по структуре сообщество, тем выше степень доминирования видов и тем меньше значение индекса. Индекс Шеннона может рассматриваться как одна из интегральных характеристик структуры системы, который изменяется во времени в зависимости от качественных и количественных изменений факторов среды, т.е. это эволюционные процессы, протекающие в течение длительных отрезков времени [12]. Аналогично про-

исходят изменения и при антропогенных воздействиях, но при этом процессы изменения в экосистемах протекают с большими скоростями, которые характеризуют не только трансформации видового разнообразие биологических масс, а также могут характеризовать почвенно-мелиоративные процессы в агроландшафтных системах.

При этом методика расчетов сводится к оценке почвенно-мелиоративного состояния агроландшафтов по показателям: коэффициенту, характеризующему трансформацию почвенно-мелиоративных процессов (Ктт1) и индексу Шеннона (Н) (табл. 4).

Таблица 4

Классификация уровня трансформации почвенно-мелиоративных процессов в условиях антропогенной деятельности по показателю Ктпм

Показатель Уровень трансформации почвенно-мелиоративных процессов

низкая средняя высокая очень высокая

КС1 0,25 0,50 0,75 1,00

К тпм 0,12 0,23 0,32 0,40

Трофность почвы олиготрофные мезотрофные эвотрофные гиперэвтроф-

ные

Н 2,30... 1,85 1,85.1,52 1,52.1,25 1,25.1,10

Экологическое без измене- стадия обра- пороговая стадия необ-

состояние агро- ний тимых изме- стадия ратимых

ландшафтов нений изменений

На основе информационно-аналитических материалов представленных в табл. 4 построен график связи индекса Шеннона ( Н ) и коэффициента, характеризующего уровень трансформации почвенно-мелиоративных процессов (Ктпм) (рис. 2).

Как видно на рис. 2, получена кривая связи Н от Ктпм с высоким

коэффициентом корреляции Я2 = 0,98.

Н = 1,782 • ехр(-1,15 • Ктпп).

> ? тпп /

Таким образом, для оценки качества агроландшафтных систем или орошаемых массивов можно использовать индекс Шеннона ( Н ) позволяющий определить их экологическое состояние. Таким образом Казалин-ский, Куан-Жанадарьинский и Кызылорлдинский массивы орошения находятся на пороговой стадии, а Шиели-Жанакорганский и Тогускенский

массивы орошения - на стадии обратимых изменений, что необходимо учитывать при мелиорации сельскохозяйственных земель.

^ЯНМ

0,45 г

0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15

0,10

1,0 1,5 Н 2,0 2,5

Рис. 2. График зависимости индекса Шеннона (Н ) от коэффициента, характеризующего уровень трансформации почвенно-мелиоративных

процессов (Ктпм ).

Обсуждение. На основе анализа многолетних информационно-аналитических материалов разработана методика оценки уровня трансформации почвенно-мелиоративных процессов и экологического состояния с использованием индекса Шеннона. Она позволила определить интенсивность и направленность трансформации почвенно-мелиоративных процессов в условиях антропогенной деятельности. При этом выполнение прогнозного расчета на основе разработанной методики оценки уровня трансформации поч-венно-мелиоративных процессов и экологического состояния агроландшафт-ных систем показывает, что на всех орошаемых массивах ухудшается гидрогеохимический режим почв. Это требует необходимости разработки системы гидротехнических и мелиоративных мероприятий для восстановления и сохранения их эколого-мелиоративной устойчивости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алимов А.Ф. Элементы теории функционирования водных экосистем -СПб: ЗИН РАН, 2000. - 147 с.

2. Джени К. Средние величины - М.: Статистика, 1990. - 341 с.

3. Джумабеков А. А. Оптимизация орошения на рисовых системах При-аралья - Алматы: НИЦ «Бастау», 1996. - 192 с.

4. Карпенко Н.П., Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т., Ескермесов Ж.Е. Анализ экологической ситуации и комплексная мелиоративная оценка состояния орошаемых агроландшафтов в низовьях реки Сырдарьи // Природообустройство. - 2015. - №2 - С. 8-12.

5. Козыкеева А.Т. Пути улучшения почвенно-мелиоративной и экологической обстановки в низовьях реки Сырдарьи: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Тараз: 1998. - 22 с.

6. Кошкаров С.И. Мелиорации ландшафтов в низовьях реки Сырдарьи -Алматы: 1997. - 267 с.

7. Мустафаев Ж.С. Методологические и экологические принципы мелиорации сельскохозяйственных земель - Тараз: 2004. - 306 с.

8. Мустафаев Ж.С. Почвенно-экологическое обоснование мелиорации сельскохозяйственных земель в Казахстане - Алматы: 1997. - 358 с.

9. Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т., Ескермесов Ж.Е. Комплексная гидрогеохимическая оценка степени трансформации гидроландшафтов в низовьях реки Сырдарьи // Техносферная безопасность: наука и практика: Матер. междунар. научно-практ. конф. - Бишкек, 2015. - С. 126-128.

10. Решеткина Н.М., Икрамов Р.К. Борьба с засолением земель и экологический кризис в Приаралье // Мелиорация и водное хозяйство. - 2000. - №1. - С. 33-36.

11. Хачатурьян В.Х., Айдаров И.П. Концепция улучшения экологической и мелиоративной ситуации в бассейне Аральского моря // Мелиорация и водное хозяйство. - 1990. - №12. - С. 5-12; 1991. - №1. -С. 2-9.

12. Шабанов В.В., Маркин В.Н. Методика эколого-водохозяйственной оценки водных объектов - М.: ФГБОУ ВПО РАГУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2014. - 162 с.

13. Щедрин В.Н., Гузыкин Д.С. Эколого-экономические аспекты обоснования мелиорации // Мелиорация и водное хозяйство. - 1993. - №2 - С. 9-11.

Поступила 13.09.2016 Техн. гылымд. докторы Ж.С. Мустафаев Техн. гылымд. докторы А.Т. Козыкеева

К.С. Абдывалиева

сырдарья взеншщ твменп саласыньщ агроландшафтарыньщ топырац-мелиоративт1к yдiрiстерщ жерд1 мелиорациялау жагдайындагы взеруш гидроэкологиялыщ т¥ргыда багалау

Тушн свздер: талдау, бага, жYЙе, жYЙелеу, т^здану, топыра^, YДiрiс, экология, жагдай, табиги-техногендш, табигат, эдютеме, динамика, жер, агроландшафт

/ызылорда облысыныц агроландшафтъщ жуйестщ суару алцабтарыныц шецбертдег1 топырагыныц туздануыныц жагдайы туралы квп жылдыц ащараттыц-аналитикалыц мэл1меттерд1

wyueney wane mandayduy nesi3inde ^ennonnuy 6ernicin ipndany apibinbi monbipai-MemopamuemiK ydipicmepdiy wane экомогинмuц wasdaudbiy 03sepyin 6amnaym apnarnan adicmeMeniK nycia lypbiman, on maQum-mexnosendw ibi3Memmi0 Ke3indesi aspornndwafymmbii wyuenepdesi momipai-MemopamuemiK ydipicmepdiy lapibinbin wane dasumun anuimaysa MyMKinMrnw 6epedi.

Mustafayev ZH.S., Kozykeeva A.T., Abdiyvaliyeva K.S.

GEOECOLOGICAL ASSESSMENT OF TRANSFORMATION SOIL-RECLAMATION PROCESSES IN THE LOWER REACHES SYRDARIA IN THE LAND RECLAMATION

Keywords: analysis, evaluation system, systematization, salinization, soil, process, environment, state, anthropogenic nature, technique, dynamics, land

On the basis of ordering and system analysis of long-term information and analytical materials on the soil salinization of irrigated areas of Kyzylorda region in the context of irrigated areas the technique of assessing the level of transformation of soil-reclamation processes and ecological condition of using the Shannon index, which allows to determine the intensity and direction of the transformation of soil-reclamation processes agrolandscape systems in terms of human activities.