CC BY
7
Оригинальная статья УДК 631.6
DOI: 10.26897/1997-6011-2023-2-23-27
О ГЕНЕТИЧЕСКОЙ (ГНОСЕОЛОГИЧЕСКОЙ) ТЕОРИИ МЕЛИОРАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ
Мустафаев Жумахан Сулейменович, д-р техн. наук, профессор
z-mustafa@rambler.ru
АО «Институт географии и водной безопасности»; г. Алматы, Медеуский р-н, ул. Пушкина, 99, Казахстан
Аннотация. Цель исследований - развитие учения о мелиорации сельскохозяйственных земель на основе общих законов природы, изучения природных процессов и генезиса природообустройства. На основе изучениязакономерности формирования генетической теории стока А.И. Воейкова, принадлежащей зависимости речного стока, атмосферных осадков и суммарного испарения, сделана попытка установить причинную связь коэффициента естественного увлажнения Н.Н. Иванова, «индекса сухости» или гидротермического показателя М.И. Будыко и затрат энергии на почвообразование В.Р. Волобуева для формирования генетической (гносеологической) теории мелиорации сельскохозяйственных земель. С использованием философических идей и мировоззренческих взглядов в сферах природопользования построен логической каркас генетической теории мелиорации сельскохозяйственных земель и на его основе предложен расчетный метод определения экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий для целенаправленного управления и регулирования почвообразовательного процесса, продуктивности мелиорируемых земель.
Ключевые слова: генетическая теория, водный баланс, речной сток, энергия почвообразования, природообустройство
Формат цитирования: Мустафаев Ж.С. О генетической (гносеологической) теории мелиорации сельскохозяйственных земель // Природообустройство. 2023. № 2. С. 23-27. DOI: 10.26897/1997-6011-2023-2-23-27.
© Мустафаев Ж.С., 2023
Original article
ON THE GENETIC (GNOSEOLOGICAL) THEORY OF AGRICULTURAL LAND RECLAMATION
Mustafaev Zhumakhan Suleymenovich, Doctor of Technical Sciences, Professor
z-mustsfa@rambler.ru
JSC «Institute of Geography and Water Security», Kazakhstan, Almaty, Medeusky district, str. Pushkin, 99.
Annotation. Based on studying the regularity of the formation of the genetic theory of runoff by A.I. Voyeykov, which belongs to the dependence of river runoff, atmospheric precipitation, and total evaporation, an attempt was made to establish a causal relationship between the coefficient of natural moisture by N.N. Ivanov, the «dryness index» or hydrothermal indicator by M.I. Budyko, and the energy costs of soil formation by V.R. Volobuev, in order to form a genetic (gnoseological) theory of agricultural land improvement. Using philosophical ideas and worldview in the field of natural resource management, a logical framework for the genetic theory of agricultural land improvement was constructed, and based on them, a calculation method was proposed to determine the ecological norm of water consumption for agricultural lands for purposeful management and regulation of the soil formation process and productivity of reclaimed lands.
Keywords: genetic theory, water balance, river runoff, energy of .soil formation, environmental management
Format of citation: Mustafaev Zh.S. On the genetic (gnoseological) theory of agricultural land reclamation // Prirodoobustrojstvo. 2023. No. 2. S. 23-27. DOI: 10.26897/1997-6011-2023-2-23-27.
Введение. В ходе исторического развития человечества сформировались методы, способы и технологии природообустройства, обеспечивающие улучшение свойств природы и повышающие или восстановляющие потребительскую стоимость почвы как объекта сельскохозяйственной деятельности для целенаправленного управления и регулирования почвообразовательного процесса и растительного покрова. При этом для изучения сложной структуры реальных объектов материальной среды (почвенного и растительного покрова) и согласования с ними сельскохозяйственной деятельности сформировались учения: В.В. Докучаева, В.Р. Вильямса, А.Н. Ко-стякова о генезисе и мелиорации почв как особого природного тела; В.В. Докучаева, А.А. Григорьева и М.И. Будыко - о законе эволюции и географической зональности почв; В.Р. Воло-буева- об энергии почвообразования; В.Х. Хача-турьяна, И.П. Айдарова, Л.М. Рекса - о деятель-ностно-природной системе. Базируются учения на деятельностном и экосистемном подходах к оценке преобразующей среды, комплексном обустройстве водосборов, системном исследовании мелиоративных процессов и систем, принципах обоснования экологически допустимых водопо-требностей сельскохозяйственных угодий. Все протекающие в них процессы рассматриваются через призму конкретной антропогенной деятельности, опираясь на почвенно-экологические, ландшафтные и гидрохимические принципы мелиорации сельскохозяйственных земель.
Процессы формирования природы и природного процесса обладают региональной детерминированностью: на разных территориях различаются в зависимости от природно-геогра-фических зон, что требует необходимости генетического обоснования их качественных и количественных параметров.
На основе систематизации эволюции естественнонаучных взглядов, синтеза научных знаний, диалектического и абстрактно-логического методов познания природы и природного процесса формировалась фундаментальная теория в области природопользования и природообу-стройства, позволяющая построить логический каркас генетической (гносеологической) теории мелиорации сельскохозяйственных земель.
Цель исследований: развитие учения о мелиорации сельскохозяйственных земель на основе общих законов природы, изучения природных процессов и генезиса природообу-стройства.
Материалы и методы исследований. В качестве материалов использована
генетическая теория стока А.И. Воейкова, характеризующая главную природную функцию речного бассейна - стокообразование. Методы исследований основаны на способах познания деятельности природной системы с использованием логико-математического моделирования и понимания сущности изучаемых явления в рамках принципов интеграции знаний.
Результаты и их обсуждение. Генетическая теория речного стока, раскрывающая причинные связи не только стока, но элементов водного баланса, впервые были предложена знаменитым русским ученым А.И. Воейковым и выражается следующим образом [1]:
Р = У + Е, (1)
где Р, У, Е - среднемноголетние величины атмосферных осадков, речного стока и суммарного испарения.
Если разделить обе части уравнения водного баланса на среднемноголетние величины атмосферных осадков, после некоторых преобразований получим модификации зависимости (1) годового коэффициента стока, предложенного Г. Келлером и Э.М. Ольдекопом [2, 3]:
Р / Р = У / Р + Е / Р; 1 = У / Р + Е / Р; 1 - Е / Р = У / Р; 1 - Е / Р = У / Р; кс = У / Р, (2)
где Ьс - годовой коэффициент стока.
Если разделить обе части уравнения водного баланса на среднемноголетние величины суммарного испарения, после некоторых преобразований получим модификации коэффициента естественного увлажнения территории, предложенного Н.Н. Ивановым [4]:
Р / Е = У / Е + Е / Е; Р / Е = У / Р +1; 1 + У / Р = Р / Е; 1гу = Р / Е, (3)
где - коэффициент естественного увлажнения территории.
Математический смысл генетической теории годового коэффициента стока и коэффициента естественного увлажнения территории представляет собой уравнение водного баланса А.И. Воейкова и среднемноголетние величины суммарного испарения, характеризующие теп-лообеспеченность и определяемые формулой Н.Н. Иванова [4]:
Е0 = 0,0061 -(25 +Ь)2 (1 -0,01 -а), (4)
где Е0 - испаряемость с водной поверхности, мм/сут.; Ь -средняя температура воздуха, °С; а - относительная влажность воздуха, %.
Одной из основных составляющих водного баланса речных бассейнов или сельскохозяйственных угодий являются среднемно-голетние величины суммарного испарения,
_^^^^_
24 Мустафаев Ж.С. О генетической (гносеологической) теории мелиорации сельскохозяйственных земель
которые определяются по формуле П. Шайбера и Э.М. Ольдекопа [5]:
Е = Р[1 - ехр(Ео / Р)] и Е = Ео ■ ЬК(Р / Ео), (5)
где ЬК -функция гиперболического тангенса.
На основе структурного анализа формул П. Шайбера и Э.М. Ольдекопа, М.И. Будыко показано, что величина испаряемости зависит непосредственно от радиационного баланса испаряющей поверхности, что можно вычислить по формуле [6]:
Е0 = Я / Ь, (6)
где Я - радиационный баланс территории, кДж/см2; Ь -скрытая теплота парообразования, равная 2,5 кДж/см3.
Структура формул П. Шайбера, Э.М. Ольдекопа и их модификация в виде среднегеометрического соотношения, предложенного М.И. Будыко, включает в себя среднемноголет-ние величины суммарного испарения, что позволяет уравнение водного баланса А.И. Воейкова представить в следующем виде:
Р = У + Я / Ь. (7)
Если разделить обе части уравнения водного баланса на среднемноголетние величины атмосферных осадков, после некоторых преобразований получим модификацию «индекса сухости», предложенного М.И. Будыко [6]:
Р/Р = У/Р+Я/Ь-Р; 1-У/Р=Я/Ь-Р; Я=Я/Ь-Р, (8)
где Я - «индекс сухости», или гидротермический показатель.
Преимущество показателя «индекса сухости» (Я) перед другими является очевидным: во-первых, он характеризует условия тепло-и влагообеспеченности почвенного и растительного покрова ландшафтов, то есть биологического процесса; во-вторых, определяет в значительной степени условия формирования почвенных, гидрогеологических и геохимических условий; в-третьих, позволяет учесть характер и интенсивность антропогенной деятельности.
Для правильного понимания целей и задачи природообустройства необходимо определить систему ценностей и обозначить объект воздействия как пространственный базис природопользования. Такими ценностями являются человек и среда его обитания, а объектом воздействия является почва как основная часть биосферы ландшафты в целом и как основное средство, предмет труда в сельскохозяйственном производстве.
Реальная почва, как сложная открытая система, находящаяся в постоянном мас-со- и энергообмене с окружающей средой, являющейся структурной единицей биосферы -
биогеоценоза (экосистемы), для развития почвообразовательной деятельности использует солнечную энергию. Интенсивность и направленность почвообразовательного процесса во многом зависят от суммарной затраты энергии на почвообразование, которая определяются по формуле В.Р. Волобуева [7]:
Qn =ао ■ R = R ■ exp (-а-R) = -exp (-0,47 • R), (9)
где Qn - суммарные затраты энергии на почвообразование, кДж/см2; ао - показатель полноты использования радиационный энергии в почвообразовании:
ао = exp [-0,47 (1 / ky)] = exp (-а ■ R), (10)
здесь а - коэффициент, учитывающий состояние почвы и равный 0,47.
Эмпирическая зависимость для определения затрат энергии на почвообразование, полученная В.Р. Волобуевым, достаточно хорошо описывается физическим законом Бугерра-Ламбер-та-Бэра, характеризующим поглощение световой энергии средой [8]:
I (1 ) = 10 ■ exp (-kÄ-1),
где I(l) - интенсивность света, прошедшего слой вещества толщиной l; I0 - интенсивность света на входе в вещество; -показатель поглощения; l - длина волны, которая показывает его физическую природу.
Теория мелиорации сельскохозяйственных земель, или почвообразовательного процесса, состоит из трех компонентов: коэффициента естественного увлажнения Н.Н. Иванова; показателя «индекса сухости», или гидротермического показателя, М.И. Будыко; затрат энергии на почвообразование В.Р. Волобуева, - как индикаторов физических процессов, выполняющих важные средообразующие или экологические функции и повышающих или восстановляющих потребительскую стоимость почвы, как объекты сельскохозяйственной деятельности, для целенаправленного управления и регулирования почвообразовательного процесса и растительного покрова. При этом под генетической теорией мелиорации сельскохозяйственных земель понимают обоснование индикаторов физических процессов почвенного и растительного покрова сельскохозяйственных угодий, позволяющих количественно воспроизводить основные физические закономерности формирования почвообразовательного процесса и биологических масс сельскохозяйственных культур на основе теоретических представлений средообразующих или экологических функций природной системы.
Суммарное испарение на сельскохозяйственных угодьях, являющихся одной из составляющих водного баланса территории, формируется
^_
Mustafaev Zh.S. On the genetic (gnoseological) theory of agricultural land reclamation 25
под влиянием их годового радиационного баланса поверхности почвы (Я1), который составляет разность между количеством поглощенной коротковолновой радиации солнца и эффективным длинноволновым излучением деятельной поверхности. Он обусловливается: теплом, затраченным на испарение, то есть результатом умножения скрытой теплоты парообразования (Ь) на суммарное испарение (ЕТсЪ); теплообменом в почве между поверхностными и более глубокими слоями (Вгй); турбулентным теплообменом между деятельной поверхностью и атмосферой (РшЪ). Тогда суммарное испарение сельскохозяйственных угодий, мм, вычисляется уравнением [6]:
ЕТ. =(Я - Р. - В.)- Ь1. (11)
съ V ъ шъ пъ '
При измерении радиационного баланса, ккал/ см2, за период Ь, стремясь получить ЕТ., мм, при Ь = 0,6 ккал/см3 будем иметь [9]:ЕТсъ = 16,7-(Я, - Р^ - Вп,), а при измерении Я., кДж / см2, Ь = 2,5 кДж / см3 ЕТ, мм, будет равно: ЕТ. = 4,0 - (Я, - Ры - Вп,).
Поскольку в среднем за год верхние слои почвы не охлаждаются и не нагреваются, для среднего многолетнего годичного периода в условиях суши Рш = 0, а поток тепла между поверхностью почвы и нижележащими слоями близок к нулю, то есть Вп = 0. Тогда уравнение для определения суммарного испарения сельскохозяйственных угодий (ЕТсъ, мм) примет следующий вид [9]:
ЕТ. = 4,0- Я.Ь1. (12)
Географическая особенность радиационного баланса (Я) деятельной поверхности приземного слоя воздуха и почвы характеризуется суммой активных температур воздуха (2 Ь > 10°С). Для расчета радиационного баланса по сумме активных температур Ю.Н. Никольским и В.В. Шабановым [10] установлена следующая зависимость:
Я{ = 13,39 + 0,0079 Ц > 10°С. (13)
Изучение и установление количественных показателей суммарного водопотребления (эва-потранспирации) естественными сельскохозяйственными угодьями представляют актуальную задачу, которая определяется на основе уравнения водного баланса, имеющего следующий вид:
ЕТа-О. -в=АЕТа или 4,0 - Я.- Ь- -Ос-в=АЕТа, (14)
где АЕТ^ - дефицит суммарного водопотребления, мм; в -влагообмен между почвенными и грунтовыми водами, мм; О. - атмосферные осадки, мм.
Для обоснования экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий можно использовать «радиационный индекс
сухости» (Ri = Ri / L Oc), характеризующий принцип энергетической сбалансированности тепла, влаги и питательных веществ, с учетом природных режимов, позволяющий обеспечить развитие почвообразовательного процесса в соответствии с законом эволюции [11].
В условиях природообустройства (мелиорация сельскохозяйственных земель) комплексный гидротермический показатель («радиационный индекс сухости») (Ri) с учетом дефицита суммарного водопотребления сельскохозяйственных угодий (дефицита экологической нормы водопотреб-ности) (AETd = Opi) может быть выражен следующей формулой: R =(4,0- R / L) - (Oci + (AETc-).
Далее для определения дефицита экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий проведем некоторые преобразования:
(Oci +(AETJ)• L = 4,0-(Ri /Ri); Oci + (AETJ = 4,0-(( /R)• L; AETJ =[4,0-(R /Ri)• L]-Oc. (15)
При этом предельно-допустимый дефицит экологической нормы водопотребности (оросительная норма) сельскохозяйственных угодий определяется с учетом геоэкологических ограничений, то есть при (Ri = 0,9 -1,0), когда в природной среде наблюдаются благоприятные условия для формирования почвообразовательного процесса, то есть при Ri = 1,0 дефицит экологической нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий определяется как
AET' =[4,0-(Ri /L)]-Oci. (16)
Геоэкологические ограничения при нормировании «дефицита экологического водопотребления сельскохозяйственных угодий» (AETJ) и «избытка солнечной энергии на почвообразовательный процесс» (AQU) тесно связаны между собой. С учетом особенностей и взаимообусловленности этих природных процессов потенциальные затраты солнечной энергии на почвообразовательный процесс (Qn), при Ri = 1,0 определяются следующим образом:
QZ = Ri - exp(-а).
В естественных природных условиях «избыток солнечной энергии на почвообразовательный процесс» (AQU), то есть неиспользованного годового радиационного баланса поверхности почвы (Ri), определяется как
AQU = Qu-Q = R -exp (-а)-R -¿xp (-aR ) AQU = R [exp (-a)-exp (-a-Ri )]=R ■exp[-(a-a-Ri)];
AQUi = R exp{a( - R)]. (17)
Мустафаев Ж.С. О генетической (гносеологической) теории мелиорации сельскохозяйственных земель
Следует отметить, что «дефицит экологического водопотребления сельскохозяйственных угодий» (АЕТ°) и «избыток солнечной энергии на почвообразовательный процесс» (АQi.i) при одинаковых условиях тепло- и влагообес-печенности (Я{) находятся в прямой зависимости от радиационного баланса поверхности почвы (Я1).
На основе этих естественнонаучных представлений о современных экологических механизмах нормирования мелиорации можно определить дефицит экологического водопотребления сельскохозяйственных угодий (АЕТ° = Оэ^), обеспечивающих оптимальное использование «избытка солнечной энергии на почвообразовательный процесс» (АQ.ii)
Список использованных источников
1. Воейков А.И. Климаты земного шара, в особенности России. Санкт-Петербург: Картогр. заведение А. Ильина, 1884. [2], VI, 640
2. Келлер Р. Воды и водный баланс суши: М.: Прогресс, 1965.435 с.
3. Ольдекоп Е.М. Об испарении с поверхности речных бассейнов: Сб.работает. Т. 4. Юрьев, тип.Эд.Бергман, 1911. 209 с.
4. Иванов Н.Н. Зоны увлажнения земного шара // Известия АН СССР. Серия «География и геофизика». 1941. № 3. С. 15-32.
5. Режимы влагообеспеченности и условия гидроме-лиораций степного края / Под ред. В. С. Мезенцева. М.: Колос, 1974. 240 с.
6. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. Л.: Гидрометеоиздат, 1956.256 с.
7. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. М.: Наука, 1974.120 с.
8. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973.720 с.
9. Сенчуков ГА., Новикова И.В. Суммарное во-допотребление и урожайность сельскохозяйственных культур // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2015. № 4(20). С. 108-119.
10. Никольский Ю.Н., Шабанов В.В. Расчет проектной урожайности в зависимости от водного режима мелиорируемых земель // Гидротехника и мелиорация. 1986. № 9. С. 52-56.
11. Мустафаев Ж.С. Основные принципы нормирования водопотребности агроландшафтов / Рябцев А. Д., Козыкеева А.Т., Кененбаев Т.С. // Водное хозяйство Казахстана. 2009. № 2. С. 3-12.
Критерии авторства
Мустафаев Ж. С.. выполнил теоретические исследования, на основании которых провел обобщение и написал рукопись, имеет на статью авторское право и несет ответственность за плагиат.
Статья поступила в редакцию 09.01.2023 Одобрена после рецензирования 02.03.2023 Принята к публикации10.04.2023
естественных ландшафтов в гидроагроланд-шафтах:
AET' = Opi = AQ"u / L. (18)
Выводы
Таким образом, результаты теоретических исследований и полученных методологических обоснований генетических теорий мелиорации сельскохозяйственных земель предназначены для разработки новых концепций и стратегий, законодательных актов и совершенствования нормативно-технической документации, конструирования гидроагроландшафтных систем, обеспечивающих восстановление и экологическую устойчивость природных систем.
References
1. Voeikov A.I. Climates of the globe, especially Russia. St. Petersburg: Kartogr. institution of A. Ilyin, 1884. [2], VI, 640
2. Keller R. Water and the water balance of the land. Moscow: Progress, 1965.435 p.
3. Оldekop E.M. On evaporation from the surface of river basins: Sat.works. T. 4.Yuriev, type. Ed. Bergman, 1911.209 p.
4. Ivanov N.N. Humidification zones of the globe // Izvestiya AS of the USSR, geography and geophysics series. 1941. No. 3. P. 15-32.
5. Moisture supply regimes and hydromelioration conditions in the steppe region (edited by V.S. Mezentsev). Moscow: Kolos, 1974.240 p.
6. Budyko M.I. Thermal balance of the earth's surface. L .: Gidrometeoizdat, 1956, 256 p.
7. Volobuev V.R. Introduction to the energetics of soil formation. M.: Nauka, 1974.120 p.
8. Born M., Wolf E. Fundamentals of Optics. M., Nauka, 1973. 720 p.
9. Senchukov G.A., Novikova I.V. Total water consumption and productivity of agricultural crops // Scientific journal of the Russian Research Institute of Land Reclamation Problems, 2015.No. 4 (20). P. 108-119
10. Nikolsky Yu.N., Shabanov V.V. Calculation of the design yield depending on the water regime of reclaimed lands // Hydrotechnics and melioration. 1986. № 9. P. 52-56.
11. Mustafaev Zh.S. Basic principles of rationing the water demand of agricultural landscapes/ Ryabtsev A.D., Kozykeeva A.T., Kenenbaev T.S. i dr. // Water management of Kazakhstan, 2009. № 2. P. 3-12.
Criteria of authorship
Mustafaev Zh.S. carried out theoretical studies, on the basis of which he generalized and wrote the manuscript. He has a copyright on the article and is responsible for plagiarism. The article was submitted to the editorial office 09.01.2023 Approved after reviewing 02.03.2023 Accepted for publication 10.04.2023
Mustafaev Zh.S. On the genetic (gnoseological) theory of agricultural land reclamation
