Ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга русской равнины 25. 00. 27 Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия icon

Ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга русской равнины 25. 00. 27 Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия



Смотрите также:
  1   2   3





На правах рукописи


Шумова Надежда Афанасьевна


ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов в условиях юга русской равнины


25.00.27 – Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук


Воронеж 2010


Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

«Институт водных проблем РАН»


Официальные оппоненты: доктор географических наук

Коронкевич Николай Иванович

доктор географических наук

^ Нестеренко Юрий Михайлович

доктор сельскохозяйственных наук

Жердев Владимир Николаевич


Ведущая организация:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный университет природообустройства»


Защита состоится « 12 » октября 2010 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете по адресу: 394043, г.Воронеж, ул.Ленина, д.86, ауд. 408.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке научных работников ВГПУ по адресу: 394043, г.Воронеж, ул.Ленина, д.86, к.34.


Автореферат разослан « 7 » сентября 2010 г.


Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 394043, г.Воронеж, ул.Ленина, д.86. Естественно-географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.036.02. Факс: 8 (4732) 54-56-43. E-mail: shmykov@vspu.ac.ru


Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат географических наук, доцент

В.И.Шмыков


Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Сочетание обилия света и тепла с высоким плодородием почв способствовало превращению лесостепной и степной зон Русской равнины в агроландшафт. В лесостепной и степной зонах производится наибольшее количество товарного зерна и продуктов животноводства. Засухи в этих регионах представляют обычное явление и для различных частей этой территории отличаются лишь интенсивностью и повторяемостью. Результатом развития орошения как радикального средства борьбы с засухами в ряде регионов лесостепной и степной зон стало локальное переувлажнение земель и часто сопутствующее ему засоление, что явилось причиной деградации высокопродуктивных черноземов и сделало эти земли непригодными для сельскохозяйственного использования. Это делает актуальным разработку гидрологических основ управления ресурсами почвенных вод, которые используются недостаточно эффективно, и поиск вариантов оптимизации их режима, направленного на снижение интенсивности и повторяемости засух. Разразившийся к настоящему времени кризис продовольствия на мировых рынках, приведший к резкому скачку цен на сельскохозяйственную продукцию, а также наметившийся в последнее время переход на альтернативные источники энергии – биологическое топливо – придают еще большую актуальность проблеме рационального использования ресурсов почвенных вод с целью получения достаточно высоких, а тем более устойчивых урожаев возделываемых культур.

Снижение интенсивности и повторяемости засух на посевах неорошаемых культур в принципе возможно за счет более полного использования атмосферных осадков в вегетационный период. Это связано с решением задач о задержании снега и талых вод на полях для повышения весенних запасов почвенных вод, а также с уменьшением испарения воды почвой в период от схода снежного покрова до смыкания посевов и после уборки урожая до наступления зимы. Основы научной базы в решение этих задач были заложены В.В.Докучаевым и развивались его учениками и последователями П.А.Костычевым, А.А.Измаильским, Г.Н.Высоцким, А.Н.Костяковым, А.А.Роде, В.А.Ковдой, Ф.Ф.Давитая, С.А.Вериго, Л.А.Разумовой, Л.С.Кельчевской, С.В.Зонном и др. Исследования, связанные с развитием предложенного комплекса мероприятий «сухого земледелия», направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух, а также поиском новых приемов по борьбе с засухами, продолжаются по настоящее время. Обычно эти исследования проводятся на уровне агрономических опытов путем сравнения урожая опытного участка с контролем. Обобщение и перенос полученных результатов на другие условия, существенно изменяющиеся в пространстве и во времени, встречает большие трудности.

В 1950-х годах с возрастанием масштабов хозяйственной деятельности человека актуальными становятся разработки, позволяющие выявить приемлемость различных вариантов изменения гидрологического режима территории и учета последствий таких изменений для почвенных вод. Особое место в этом направлении занимают исследования М.И.Львовича, который считал, что почвенные воды играют ведущую роль в формировании водного баланса территории. Эти идеи получили развитие в работах Е.П.Чернышева, Н.И.Коронкевича и др.

В 1980-х годах А.И.Будаговским было введено понятие ресурсов почвенных вод и намечены основные направления развития учения о почвенных водах и их ресурсах: биофизическое (физика почвенных вод), географическое и прикладное (инженерно-агрономическое). Задачей биофизического направления является изучение физической сущности процессов формирования почвенных вод. В рамках этого направления А.И.Будаговским разработана модель формирования почвенных вод в безморозный период. Исследования в области формирования почвенных вод были продолжены и существенно углублены Е.М.Гусевым. Им была дана экологическая трактовка понятия ресурсов почвенных вод, разработан полный комплекс моделей формирования почвенных вод в осеннее-весенний период, разработаны динамико-стохастические модели формирования почвенных вод при мульчировании.

Достижения, полученные в области физики почвенных вод, легли в основу настоящей работы, которая выполнена в рамках развития географического и прикладного направлении учения о почвенных водах и их ресурсах. Если геофизические и биофизические законы, лежащие в основе формирования почвенных вод, установлены достаточно точно, то они справедливы для любых условий. При этом одни и те же законы, действующие в разных условиях, могут приводить к существенно различным результатам. Задача географического и прикладного направления – это раскрытие закономерностей формирования почвенных вод на более высоких (ландшафтном и зональном) уровнях организации окружающей среды и получение обоснованных оценок влияния изменения режима почвенных вод на соответствующее состояние растительного покрова.

Использование в данной работе модели формирования почвенных вод, разработанной в рамках учения о почвенных водах и их ресурсах, существенно повышает научный уровень агрономических опытов и позволяет оценить ресурсы почвенных вод и водообеспеченность агроценозов как при применении традиционной агротехники, так и при проведении различных мероприятий «сухого земледелия», таких как задержание стока талых вод на полях, зяблевая пахота, парование полей и мульчирование почвы растительными остатками. Использование данного подхода позволяет не только оценить эффективность проводящихся мероприятий по повышению водообеспеченности посевов, но и служить обоснованием целесообразности постановки исследований по поиску или реализации более сложных мероприятий, детальная разработка которых требует большого труда и средств.

^ Цель и задачи исследований. Целью работы являются оценка и анализ закономерностей формирования ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов в условиях юга Русской равнины.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Выбор подхода к оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур.

2. Адаптация и проверка модели формирования ресурсов почвенных вод для условий юга Русской равнины, включая оценку параметров модели, описывающих водно-физические свойства почвы и растительный покров.

3. Изучение пространственной, межгодовой и внутригодовой динамики составляющих баланса почвенных вод сельскохозяйственных полей юга Русской равнины.

4. Оценка и выявление закономерностей формирования водообеспеченности агроценозов.

5. Определение дефицита водопотребления (оросительная норма нетто) посевов сельскохозяйственных культур.

6. Оценка гидрологической эффективности задержания стока талых вод на полях, зяблевой пахоты, парования и мульчирования почвы.

^ Объектом исследований являются сельскохозяйственные поля лесостепной и степной зон Русской равнины - основных зернопроизводящих регионов России.

Предмет исследований – почвенные воды и управление ими с целью повышения водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур.

^ На защиту выносятся:

1. Методический подход к оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов в рамках учения о почвенных водах и их ресурсах.

2. Результаты оценки и анализ условий формирования ресурсов почвенных вод на юге Русской равнины. Метод определения локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения.

3. Результаты оценки и анализ водообесеченности агроценозов на юге Русской равнины.

4. Результаты оценки гидрологической эффективности приемов «сухого земледелия», направленных на снижение интенсивности и повторяемости засух. Метод расчета испарения воды почвой при мульчировании.

^ Научная новизна и практическая значимость работы. Работа выполнена в рамках развития географического и прикладного направлений учения о почвенных водах и их ресурсах. При оценке ресурсов почвенных вод и водообеспеченности агроценозов реализуется принципиально новый подход, при котором почвенные воды рассматриваются как гидрологический ресурс, необходимый для существования и развития растительного покрова. Показаны масштабы возможного использования этого ресурса для юга Русской равнины.

Выявлены и проанализированы закономерности географического распределения и временной изменчивости параметров, показывающих:

- эффективность использования ресурсов почвенных вод агроценозами;

- водообеспеченность агроценозов, оцениваемую через величину транспирации исходя из потребности растений во влаге и из того, насколько эта потребность удовлетворяется в конкретных природно-климатических условиях;

- резервы возможного повышения водообеспеченности агроценозов.

Предложен метод оценки локальной неоднородности пространственного распределения суммарного испарения сельскохозяйственных полей.

Впервые эффективность приемов «сухого земледелия» оценивается с позиций гидрологии, а не сравнением урожаев опытных участков с контролем. Это позволило выйти на зональный уровень обобщения. Разработан упрощенный метод оценки испарения воды почвой при мульчировании.

Результаты исследований могут представлять интерес для агроклиматического районирования, использоваться при планировании различных агротехнических мероприятий по повышению водообеспеченности посевов сельскохозяйственных культур, а также при разработке экологических программ рационального природопользования.

^ Реализация результатов диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы вошли в заключительные отчеты по различным тематикам государственных планов НИР, выполняемых Институтом водных проблем РАН; по грантам РФФИ № 03-05-64238 «Развитие теории экологического нормирования в применении к водному режиму экосистем и экотонов речных пойм», № 06-05-6464159 «Современный гидроморфизм и биоразнообразие степной зоны России», № 07-05-00593 «Тенденции увлажнения зональных ландшафтов Европейской России в ситуации глобального потепления XX-XXI веков» и ряду других проектов.

Разработанная методика оценки ресурсов почвенных вод используется в лекционном курсе и на практических занятиях студентов по экологии агроландшафтов в Донском государственном аграрном университете.

^ Апробация работы и публикации. Результаты исследований были доложены на следующих семинарах и конференциях: Заседание Гидрологической комиссии Московского отделения Русского географического общества (Москва, 2008), 7th International Conference “Influence of anthropogenic activities of water regime of lowland territory” and 17th Slovak-Czech-Polish Scientific Seminar “Physics of soil water” (Michalovce, Slovak Republic, 2008), IV Международный симпозиум “Степи Северной Евразии” (Оренбург, 2006), Международное совещание “Биоресурсы и биоразнообразие экосистем Поволжья: прошлое, настоящее, будущее” (Саратов, 2005), Ежегодная молодежная научная конференция “Актуальные проблемы экологии в сельскохозяйственном производстве” (пос. Персиановский, Ростовская обл., 2003 и 2004), Всероссийский конгресс работников водного хозяйства (Москва, 2003), Всемирная конференция по изменению климата (Москва, 2003), Международная конференция “Взаимодействие общества и окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений” (Барнаул, 2003), International Conference on Water Problems in the Mediterranean countries (Nicosia, North Cyprus, 1997), European Geophysical Society, 22nd General Assembly (Vienna, Austria, 1997), European Conference on Applied Climatology (Norrkoping, Sweden, 1996), Regional workshop on climate variability and climate change vulnerability and adaptation (Praha, Czech Republic, 1995), V школа-семинар “Системные исследования водных проблем” (Москва, 1993), International Symposium "Advances in water sciences" (Stara lesna, Slovakia, 1993), Научно-практическая конференция “Стратегия экологической безопасности России” (Санкт-Петербург, 1992), а также на семинарах Лаборатории физики почвенных вод и Лаборатории наземных экосистем под влиянием водного фактора ИВП РАН, совместном заседании лабораторий гидрологии и климатологии Института географии РАН, совместном заседании секций Ученого совета ИВП РАН «Водные ресурсы и управление ими» и «Качество вод и экология». Основные положения диссертации отражены в 47 статьях и монографии; в журналах, рекомендованных ВАКом, опубликовано 10 статей.

^ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 237 страниц компьютерного текста, включая 114 рисунков и 14 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 212 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

основное Содержание работы

Введение

Изложен краткий анализ состояния проблемы, обоснование актуальности темы диссертационной работы, ее цели и задачи, научная новизна и практическая значимость, апробация полученных результатов, структура и объем работы.

^ Глава 1

Почвенные воды и их ресурсы

1.1. Общие положения

Рассматривается общая схема взаимного обмена вод суши, в котором активная роль принадлежит почвенным водам. Основной функцией почвенных вод является то, что они необходимы для существования и развития растительного покрова, синтезирующего органическое вещество из неорганического. В свою очередь органическое вещество, создаваемое растительным покровом, является первичным звеном в трофической цепи наземных экосистем. Отсюда вытекает глобальное значение почвенных вод, их роль в формировании и развитии окружающей среды.

^ 1.2. Основы учения о почвенных водах

Задачи и содержание учения о почвенных водах как одном из важнейших компонентов гидрологического цикла были сформулированы А.И.Будаговским (1973). При рассмотрении проблемы почвенных вод выделено три основные направления исследований (рис. 1). Первое направление – биофизическое (или физика почвенных вод), изучающее физическую сущность процессов формирования почвенных вод, в основе которого лежит понятие гидрологического цикла. Второе направление – географическое, раскрывающее закономерности формирования почвенных вод на более высоких уровнях организации окружающей среды (на ландшафтном и зональном уровнях). Третье направление – прикладное (инженерно-агрономическое). Настоящее исследование выполнено в рамках развития географического и прикладного направлений учения о почвенных водах и их ресурсах.



Рис. 1. Основные направления развития учения о почвенных водах и их ресурсах

^ 1.3. Ресурсы почвенных вод и подходы к их оценке

Почвенные воды являются жизненно необходимым природным ресурсом и рассматриваются в качестве важной части ресурсов вод суши. При обосновании количественной меры ресурсов почвенных вод анализируется уравнения водного баланса речного бассейна за средний многолетний период

(1)

где: - атмосферные осадки; - испарение; и - поверхностная и подземная составляющие речного стока. Два последних члена в правой части уравнения (1) фигурируют во многих работах в качестве оценок ресурсов поверхностных и подземных вод. Таким образом, если почвенные воды – необходимый природный ресурс, используемый растительным покровом, а и - меры ресурсов других составляющих вод суши, то естественно принять в качестве оценки ресурсов почвенных вод величину суммарного испарения , а атмосферные осадки при данном подходе будут мерой ресурсов естественного увлажнения (Будаговский, 1985).

Ресурсы почвенных вод характеризуются тремя параметрами (Будаговский, 1985), дающими представление о возможных масштабах их использования: (i) параметр водообеспеченности растительного покрова ; (ii) параметр структуры ресурсов почвенных вод ; (iii) параметр резервов ресурсов почвенных вод . Здесь - фактическая транспирация данного растительного покрова, - потенциальная транспирация (транспирация при оптимальном водоснабжении растений), - суммарное испарение за безморозный период (за период от полного схода снежного покрова весной до наступления отрицательных температур воздуха осенью).

^ 1.4. Экологический подход к понятию ресурсов почвенных вод

Показано, что циркуляция воды в системе почва - растительный покров - атмосфера осуществляет круговорот биоэлементов во всей системе биоценозов суши, являясь необходимым экологическим ресурсом, используемым биоценозами суши (Гусев, 1993). Экологическая роль почвенных вод дает возможность подойти к понятию об их ресурсах как к одному из важнейших возобновляемых ресурсов, используемых не только человеком, сколько биосферой в целом.

Глава 2

Водный баланс почвы и методы его расчета

^ 2.1. Уравнение водного баланса почвы

Рассматривается уравнение водного баланса корнеобитаемого слоя почвы, которое в общем случае записывается в виде (Будаговский, 1973)

(2)

где - глубина корнеобитаемого слоя почвы; - средняя влажность по глубине корнеобитаемого слоя почвы; - время; - интенсивность атмосферных осадков; - интенсивность поверхностного (склонового) стока; - интенсивность почвенного стока; - интенсивность суммарного испарения; - интенсивность вертикального водообмена корнеобитаемого слоя почвы с лежащими ниже его слоями зоны аэрации или с грунтовыми водами.

Анализируются подходы к оценке основных элементов водного баланса корнеобитаемого слоя почвы: атмосферных осадков, вертикального водообмена корнеобитаемого слоя почвы с лежащими ниже горизонтами, склонового стока и почвенного стока. Дается краткий обзор и анализ основных методов расчета суммарного испарения, в результате чего для решения поставленных задач был выбран метод, подробное описание которого приводится ниже.

^ 2.2. Метод расчета суммарного испарения, его составляющих и запасов воды в почве

2.2.1. Расчетные зависимости

Для оценки ресурсов почвенных вод и их параметров используется модель суммарного испарения, позволяющая определить его структуру (Будаговский, 1964). Суммарное испарение в общем случае включает в себя испарение воды почвой и транспирацию

(3)

Испарение воды почвой определяется (Будаговский, Шумова, 1976)

(4)

(5)

(6)

(7)

, , (8)

где - потенциальное испарение воды почвой (испарение со смоченной поверхности почвы); - эмпирический параметр, зависящий от водно-физических свойств почвы; - запасы воды в расчетном слое почвы; - атмосферные осадки; и - функции температуры воздуха; - функция относительной площади листьев; - функция скорости ветра; - дефицит влажности воздуха; - радиационный баланс; - коэффициент, зависящий от географической широты и времени года; - относительная площадь листьев; - поток тепла в почву; - скорость ветра; - производная насыщающей упругости водяного пара от температуры воздуха .

Транспирация определяется (Будаговский, Шумова, 1976)

(9)

(10)

(11)

(12)

, (13)

, (14)

где - критические запасы воды в почве, - потенциальное испарение (при ); и - функции скорости ветра; и - функции относительной площади листьев; и – эмпирические коэффициенты.

Расчет запасов воды в почве по интервалам времени производится по формуле (Будаговский, Шумова, 1976)

(15)

где и - запасы воды в почве в начале и конце расчетного интервала времени соответственно. При и определяются по соотношениям

(16)

(17)

при и принимают вид

(18)

(19)

В принципе модель формирования почвенных вод универсальна, то есть может быть использована для оценки динамики суммарного испарения и продуктивных запасов воды в почве в разных физико-географических зонах.

2.2.2. Исходные материалы и техника расчетов

Для расчета суммарного испарения, его составляющих (испарения воды почвой и транспирации) и запасов воды в почве используются средние многолетние материалы стандартных наблюдений 45 агрометеорологических станций, равномерно освещающих территорию лесостепной и степной зон и частично выходящих за ее пределы (рис. 2). Исследуемая территория отличается высокой пространственной неоднородностью. Средний многолетний коэффициент увлажнения (Высоцкий, 1960), полученный по материалам наблюдений указанных выше станций, изменяется от 1,12 на северо-западе исследуемого региона до 0,18 на юго-востоке в низовьях Волги; значения гидротермического коэффициента (Селянинов, 1958) изменяются соответственно от 1,68 до 0,30 (Шумова, 2005). Для характеристики межгодовой изменчивости выбрано 6 характерных станций (Безенчук, Ершов, Каменная Степь, Мироновка, Гигант, Одесса), отражающих все многообразие природных условий исследуемого региона.

Подробно описываются все параметры, входящие в расчетные зависимости, и техника расчетов. Расчет проводится по декадным интервалам времени с начала первой декады после схода снежного покрова весной до конца последней декады с положительной температурой воздуха осенью. Для южных районов, где в зимнее время в среднем за декаду отрицательные температуры воздуха не наблюдаются, расчет проводится за календарный год.



Рис. 2. Схема расположения агрометеорологических станций

Точечные линии - границы лесостепной и степной зон (Берг, 1947; Берг, 1952). Светлые кружки - агрометеорологические станции, для расчетов по которым используются средние многолетние данные; темные - данные за ряд лет. 1 – Нолинск, 2 - Ройка, 3 - Казань, 4 - Немчиновка, 5 - Шокино, 6 - Михайлов, 7 - Самара, 8 - Безенчук, 9 - Ростоши, 10 - Ушаково, 11 - Оренбург, 12 - Воронеж, 13 - Глухов, 14 - Саратов, 15 - Нижнедевицк, 16 - Ершов, 17 - Уральск, 18 - Чингирлау, 19 - Каменка, 20 - Каменная Степь, 21 - Владимир-Волынский, 22 - Белогорка, 23 - Мироновка, 24 - Полтава, 25 - Джаныбек, 26 - Беловодск, 27 - Эльтон, 28 - Новая Ушица, 29 - Капустин Яр, 30 - Кировоград, 31 - Черный Яр, 32 - Волноваха, 33 - Константиновский, 34 - Харабали, 35 - Мариуполь, 36 - Кишинев, 37 - Херсон, 38 - Гигант, 39 – Одесса, 40 - Аскания-Нова, 41 - Кирилловка, 42 - Сарата, 43 - Кореновск, 44 - Краснодар, 45 - Золотушка

^ 2.3. Биометрические параметры растительного покрова

В расчетные зависимости входит величина относительной площади листьев, являющаяся одной из важнейших характеристик растительного покрова. Описывается методика и результаты прямой и косвенной экспериментальной оценки биометрических параметров растительного покрова (Бусарова, Шумова, 1987). Выполненные обобщения экспериментального материала в сочетании с данными стандартных наблюдений агрометеорологических станций позволяют получить значения относительной площади листьев с различной степенью точности в зависимости от наличия материалов наблюдений за посевами сельскохозяйственных культур и учитывая конкретные климатические условия (Шумова, 1994; Shumova, 1994). Проведенные оценки ошибок показали, что использование в расчетах величин относительной площади листьев, полученных с различной степенью точности, не приводит к существенным погрешностям в расчетах суммарного испарения и его составляющих.

^ 2.4. Оценка точности метода расчета

Оценка точности метода расчета проведена путем сравнения вычисленных запасов воды в метровом слое почвы с измеренными, а также путем сравнения вычисленных величин суммарного испарения с величинами, полученными по уравнению водного баланса, для полей яровой пшеницы, кукурузы и полей, занятых под пар по девяти станциям лесостепной и степной зон (Омск, Самара, Безенчук, Ершов, Семипалатинск, Мироновка, Черный Яр, Гигант, Одесса) в общей сложности за 76 лет (Шумова, 2003). Среднее квадратическое отклонение рассчитанных величин продуктивных запасов воды в метровом слое почвы от измеренных равно 21 мм, систематическая ошибка составляет 2,5%, что находится в пределах ошибки измерений запасов воды в почве (рис. 3). Среднее квадратическое отклонение рассчитанных величин испарения и величин испарения, полученных по уравнению водного баланса на основе измеренных значений запасов воды в почве и атмосферных осадков, близки аналогичным оценкам точности расчета запасов воды в почве (рис. 4).





Рис. 3. Сравнение измеренных и рассчитанных продуктивных запасов воды в метровом слое почвы

Рис. 4. Сравнение нарастающих сумм испарения, полученных по уравнению водного баланса и рассчитанных

Выполненные оценки показывают, что модель обладает достаточной точностью и может быть использована для расчетов суммарного испарения и запасов воды в почве как в условиях применения традиционной агротехники, так и при оценке эффективности различных приемов управления водным режимом почвы.





страница1/3
Дата конвертации17.05.2013
Размер0,56 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rud.exdat.com


База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2012
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Документы