CC BY
19
_
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ^^^^^^^^^
УДК 631.67
РОЛЬ НАУКОЕМКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИННОВАЦИОННОМ
РАЗВИТИИ МЕЛИОРАЦИИ
Л.В. Кирейчева, д.т.н.
ВНИИ гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова, e-mail:[email protected]
Проблема обеспечения продовольственной безопасности страны тесно связана с развитием мелиорации земель сельскохозяйственного назначения. Показано, что только средствами комплексной мелиорации можно добиться повышения продукционного потенциала почв. Управление продуктивностью основано на энергетическом подходе в зависимости от количества вкладываемой энергии на проведение агромелиоративных и гидротехнических мелиораций. Инновацией является использование новыхудобрительно-мелиорирующих смесей для повышения почвенного плодородия.
Ключевые слова: мелиорация, управление, мелиоративный режим, продукционный потенциал, плодородие, удоб-рительно-мелиорирующие смеси, сапропель, отходы.
THE ROLE OF SCIENTIFIC-INTENSIVE TECHNOLOGIES IN INNOVATIONAL DEVELOPMENT OF MELIORATION L.V. Kireycheva
Problem offood safety of country is closely related to development of agricultural lands development. It's shown that only application of complex melioration means can provide increase of production potential of soil. Productivity management based on energetic approach in dependence of input energy for agromeliorative and hydrotechnic meliorations. Innovation concludes in application of new fertilizing-meliorative mixtures for increase of soil fertility.
Keywords: melioration, management, meliorative regime, production potential, fertility, fertilizing-meliorative mixtures, sapropel, wastes.
Задачей, определяющей жизнеспособность и будущее мелиорации земель сельскохозяйственного назначения, становится готовность науки и практики к созданию и эксплуатации систем комплексных мелиораций нового поколения, базирующихся на энергоэффективных, ресурсосберегающих инновационных технологиях, новых материалах и конструкциях, направленных на максимально приемлемое использование природно-ресурсного потенциала агроландшафта при соблюдении требований к его экологической безопасности.
Методологическую основу формирования инновационной системы развития мелиораций составляет формирование продуктивного и устойчивого мелиорированного агроландшафта, что позволяет обосновать в любых природных условиях эффективный комплекс мелиоративных мероприятий, обеспечивающий экологически обоснованный продукционный потенциал. Известно, что биологическая продуктивность зависит от количества используемой солнечной энергии, влагообеспеченности, плодородия и свойств почвы. При проведении мелиорации происходит существенное изменение энергетического баланса в системе «атмосфера - растительный слой - почва». Использование солнечной энергии в аг-роценозе увеличивается на 3-6%, что вызывает повышение энергии почвообразования и энергии, аккумулированной в фитомассе за счет увеличения урожайности в 2-8 раз в зависимости от типа почвы. Поэтому в качестве основного показателя для оценки мелиоративной деятельности нами предложен новый показатель - турбулентная энергоотдача, представляющая собой разницу между радиационным балансом, энергией почвообразования и энергией, аккумулированной в продукции фи-
томассы [1]. Это позволяет с энергетических позиций подойти к обоснованию и проектированию комплексных мелиораций. Рассчитанный для основных почв Европейской части России продукционный потенциал в естественных условиях и при проведении комплексных ме-лиораций (рис. 1) показал, что имеется значительный резерв для увеличения продукционного потенциала.
Наибольшим энергетическим потенциалом в естественных условиях обладают черноземы обыкновенные, так как содержат значительный запас гумуса гуматного типа, наименьшим - дерново-подзолистые почвы. Реализация комплексных мелиораций позволяет практически на всех почвах значительно повысить продуктивность, но наиболее отзывчивы почвы дерново-подзолистые, серые лесные, бурые полупустынные и сероземные.
Для того чтобы повысить продукционный потенциал почв необходимо обеспечить эффективное функционирование мелиоративных систем для управления геологическим, биологическим и техногенным круговоротами воды и химических элементов, включая биогенные, что формирует необходимый мелиоративный режим для повышения продукционного потенциала [2]. Вода и питательные вещества, определяющие регулирование основных факторов жизни растений, находятся в состоянии беспрерывного круговорота, причем их направление совпадает, но скорости существенно различаются в связи с тем, что зольные и химические элементы принимают участие как в биологическом, так и в техногенном круговороте и оказывают существенное влияние на молекулярные процессы в почве. Учитывая, что почва имеет сложную организацию, где наряду с химическими реакциями, значительную роль играют микробиологичес-
дерново- Серая лесная Чернозем Чернозем Чернозем Каштановая Бурая
подзолистая выщелоченный обыкновенный южный полупустынная
Тип почвы
Ш После проведения комплекса мелиораций ♦ В естественных условиях
Рис. 1. Значение продукционного потенциала (т корм.ед/га) для разных типов почв для естественных условий и при проведении комплексной мелиорации
12
10
3
8
6
4
1.4
2
0
кие процессы, управление мелиоративным режимом должно быть направлено на регулирование внутреннего влагооборота, обеспечивающего сбалансирование процессов накопления и минерализации органического вещества и приводящего к повышению плодородия почвы при удовлетворении потребности растений в воде и элементах питания. В условиях повышенной влажности и недостатка аэрации в почве преобладают анаэробные процессы накопления органического вещества, при дефиците влаги и обеспеченной аэрации в почве преобладают аэробные процессы разложения органического вещества. Процессами превращения веществ управляют потоки энергии, поэтому представляется целесообразным перейти от вещественной к энергетической оценке почвенных процессов, определяющих мелиоративный режим почвы.
В процессе производства растениеводческой продукции в агрогеоценозе увеличивается количество исходящей энергии и снижается количество энергии, возвращаемой в почву. Для решения проблемы устойчивого повышения плодородия необходимо не только повысить количество возвращаемой в почву энергии, но и сохранить установившееся соотношение энергетических потоков посредством управления мелиоративным режимом. Роль почвы состоит, в том числе, и в обеспечении постоянства потока энергии в биогеоценозе за счет изменения скорости трансформации электромагнитной энергии в энергию химических связей путем повышения или снижения плодородия и аккумуляции или минерализации почвенного гумуса [3]. Недостаток существующих методов заключается в том, что они не учитывают биохимической направленности процессов трансформации органического вещества в почве, в то время как минерализация и гумификация рассматриваются изначально как совокупность биохимических реакций. Поэтому, при планировании устойчивого повышения почвенного плодородия в процессе управления мелиоративным режимом целесообразно использовать энергетический критерий оценки, как почвенного гумуса, так и вносимых органических веществ. Для расчета энергетического потенциала органических соединений почвы и фитомас-сы может быть использована стехиометрия процесса биологического аэробного окисления, предложенная О.Б. Хохловой, что ею обозначено как «биоэнергетический потенциал» [4]. Исходя из вышесказанного, при управлении мелиоративным режимом обязательным
приемом является внесение дополнительной энергии путем поступления в почву органоминеральных веществ, обеспечивающих, наряду с обогащением почвы органическим веществом, повышение ее коллоидной фракции. При этом обеспечивается не только высокая урожайность, превышающая более чем в 3-5 раз урожайность в богарных условиях, но и устойчивость ландшафта к проявлению деградационных процессов. Для управления мелиоративным режимом очень важно, чтобы органическое вещество было внесено непосредственно в почвенный слой.
Во ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова разработаны новые удобрительно-мелиорирующие смеси (УМС): сапропель с торфом, обработанные микробным препаратом (патент № 2286321 С1); отходы сахарной промышленности (фильтрационный осадок) с верховым торфом (заявка на изобретение № 2011149138 от 02.12.2011). Эти смеси обеспечивают поступление в почву органического вещества, формирование коллоидной структуры, увеличение ППК и ЕКО, повышение сорбционных свойств, активизацию почвенной микрофлоры, а самое главное, прирост энергетических запасов. По нашим расчетам 1 т приготовленного субстрата содержит около 5 ГДж энергетических ресурсов. Для создания мелиоративного режима, обеспечивающего воспроизводство почвенного плодородия, необходимо внести в дерново-подзолистую почву до 30 т/га УМС, а постторфяную не менее 10 т/га.
Исследования, выполненные в Рязанской области в ОПХ «Полково», показали, что при внесении УМС на основе сапропеля 10 т/га в постторфяную почву, за три года средняя урожайность сена тимофеечно-кострецовой смеси составила 9,97 т/га, что превышает контроль на 202% [5]. Эффективность применения УМС выражается также в увеличении энергии почвенного гумуса до 855875 ГДж/га, что больше по сравнению с контролем в среднем на 8% (рис. 2).
Исследования влияния УМС на основе отходов сахарной промышленности проводили на постторфяных и деградированных дерново-подзолистых почвах в Рязанской области на участках Тинки II и «Заборье» [6]. После внесения УМС происходит закономерное повышение гумуса в слое 0-20 см, его содержание на участке Тинки II увеличивается за 3 года на 1,3%, а в «Заборье» за 2 года на 1,95% (таблица).
2005 г., осень 2006 г., весна 2006 г., осень 2007 г., осень
Рис. 2. Динамика биоэнергетического потенциала (БЭП) органического вещества почвы
по вариантам исследований [5]
Содержание гумуса в почве (слой 0-20 см), %
Вариант 2009 г. 2010 г. 2010 г. 2011 г. 2011 г. 2012 г. 2012 г. Прибавка,
весна весна осень весна осень весна осень %
«Тинки II» (контроль) 7,1 6,9 7,0 6,8 7,2 7,1 7,2 0,1
«Тинки II» УМС (40 т/га) 7,1 7,2 7,4 7,5 8,4 7,8 8,4 1,3
«Заборье»(контроль) - 3,45 3,5 3,6 3,7 3,4 3,6 0,15
«Заборье» УМС (40 т/га) - 3,45 4,8 5,0 5,4 5,1 5,4 1,95
Формирование и управление мелиоративным режимом тесно связано с управлением инженерными мелиоративными системами. Основой управления мелиоративным режимом является управление внутренним вла-гооборотом путем проведения частых поливов нормами, близкими к эвапотранспирации орошаемого поля и поддержание в корнеобитаемом слое влажности почвы, обеспечивающей как потребность растений в воде, так и формирование сбалансированного процесса накопления и минерализации органического вещества, приводящего к повышению плодородия почвы. Инновацией в этом направлении является разработка малообъемных технологий орошения. Они включают: комбинированное капельное и мелкодисперсное орошение, что обеспечивает регулирование как режима влажности почвы, так и приземного слоя атмосферы; режимы орошения и технология дробного внесения с поливной водой по фазам развития растений макро- и микроэлементов, использование которой позволило снизить количество вносимых
удобрений и увеличить урожайность овощей более чем в 2 раза при существенном улучшении качества продукции. Указанные технологии, наряду со специальными мелиоративными севооборотами, обеспечивают оперативное регулирование показателей мелиоративного режима, что позволяет поддерживать почвообразовательный процесс в заданном направлении.
Таким образом, инновационные технологии, технические средства и мелиоративные системы, реализующие комплексную мелиорацию земель, должны обеспечить создание и управление необходимым мелиоративным режимом, а также экологическую устойчивость и высокую продуктивность агроланд-шафта за счет предотвращения процессов его деградации. Это повысит социально-экономическую эффективность развития сельскохозяйственного производства на мелиорированных землях, обеспечит получение качественной сельхозпродукции в любые по погодным условиям годы.
Литература
1. Технология управления продуктивностью мелиорируемых агроландшафтов различных регионов Российской Федерации / Под. ред. Л.В. Кирейчевой - М.: Россельхозакадемия, 2008. - 81 с.
2. Костяков А.Н. Основы мелиорации - М.: Государственное изд. сельскохозяйственной литературы, 1951. - 750 с.
3. Кук Дж. У. Регулирование плодородия почвы. - М.: Колос, 1970. - С. 377-410.
4. Новые технологии проектирования, обоснования строительства, эксплуатации и управления мелиоративными системами / Под ред. Л.В. Кирейчевой. - М.: ВНИИА, 2010 - С. 13-16.
5. Кирейчева Л.В., Белова И.В., Перегудов С.В., Яшин В.М. Энергетическая оценка мелиоративных мероприятий для повышения плодородия почв // Известия Нижневолжского агроуниверситетного комплекса: наука и высшее профессиональное образование, 2009, № 4 (16). - С. 32-43.
6. Кирейчева Л.В., Хохлова О.Б., Перегудов С.В., Шилова Е.Ю. Использование удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства для повышения плодородия малопродуктивных почв // Агрохимический вестник, 2010, № 1. - С. 22-25.
7. Бородычев В.В. Современные технологии капельного орошения овощных культур. - Волгоград: ООО «Ин-лайт», 2010. - 241 с.
