Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОСУШЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОЧВ РАЗНОЙ СТЕПЕНИ ОГЛЕЕНИЯ, СФОРМИРОВАВШИХСЯ НА КАРБОНАТНЫХ ПОЧВООБРАЗУЮЩИХ ПОРОДАХ

Изобретение относится к области сельского хозяйства Нечерноземной зоны, а также к технологиям комплексной мелиорации агроландшафтов и использования минеральных почв, осушаемых как закрытыми дренами, так и закрытыми собирателями, а также агромелиоративными мероприятиями, предназначенными для ускорения сброса поверхностной воды и гравитационной воды из пахотного слоя.

Известно распространение в Нечерноземной зоне почв, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах (например, пермские карбонатные глины, участки Петерлауки и Лиелплатоне с карбонатными почвами в Латвии и др.). Э.И. Гагарина (Гагарина Э.И. Дерново-подзолистые суглинистые почвы. - В сб.: Подзолистые почвы Северо-Запада Европейской части СССР / Научные труды ВАСХНИЛ; Под ред. Н.А. Ногиной, А.А. Роде и Е.Н. Рудневой. - М.: Колос, 1979. - С.150…171) отмечает исходную карбонатность большей части моренных суглинков, переживших фазу выщелачивания карбонатов. Похолодание климата и смена растительного покрова способствовали развитию процесса оподзоливания и привели к дальнейшей деградации дерново-карбонатных почв и формированию почв подзолистого типа. Как указывает ряд исследователей (А.А. Хантулев, Э.И. Гагарина и др.), на почвах, развитых на карбонатных моренах, в сухие весенний и летний периоды неглубоко залегающие карбонаты подтягиваются вверх и могут в значительной мере нейтрализовать кислотность почвенного профиля. Влияние карбонатов на почвообразование определяется глубиной их залегания, свойствами почвообразующей породы и природными условиями местности. Для суглинистой морены Валдайского региона критическая глубина залегания карбонатов - 110…130 см. Залегая глубже, они слабо влияют на процессы почвообразования (Там же, с. 159).

Н.А. Сапожников и М.Ф. Корнилов (Сапожников Н.А., Корнилов М.Ф. Научные основы системы удобрений в Нечерноземной полосе. - Л.: отделение изд-ва «Колос», 1969. - С.144) также отмечают, что при освоении почв усиливается процесс испарения влаги с поверхности почвы и капиллярный подъем ее из глубинных горизонтов. Одновременно происходит передвижение кальция и отчасти магния, что сопровождается снижением кислотности, обогащением верхней толщи почвы основаниями. Этот процесс протекает особенно интенсивно при наличии карбонатных материнских пород. На Силурийской возвышенности в Ленинградской области были изучены почвенные профили на трех типах угодий (еловый лес, вырубка и пашня). На одной и той же материнской породе известковая щебенка во всех случаях залегала на глубине 80…85 см. На бескарбонатных почвообразующих породах это явление выражено не столь значительно, но имеет ту же направленность.

В Ленинградской области почвы ордовикского плато, большая часть которого представлена Ижорской возвышенностью, - дерново-карбонатные, выщелоченные и оподзоленные.

Известно, что в Нечерноземной зоне основные площади заняты кислыми оглеенными почвами, дренаж которых усиливает вынос щелочноземельных металлов и их кислотность. Такое действие дренажа усугубляется и выносом кальция и магния с урожаем. Отрицательное действие дренажа может быть компенсировано только известкованием. Полученные нами натурные данные свидетельствуют, что при одинаковом уровне сельскохозяйственного использования дерново-подзолистых глееватых среднеокультуренных почв, сформировавшихся на покровном бескарбонатном суглинке, и почв, сформировавшихся на карбонатной с глубины 0,8 м морене, осушаемых закрытым дренажем с одинаковой интенсивностью, среднемноголетний вынос с дренажным стоком Са²⁺ на первой почве составил 82 кг/(га·год), а Mg²⁺ - 25 кг/(га·год), а на трех участках другой почвы - соответственно 229…273 и 70…110 кг/(га·год). При глубине заложения дрен 0,9…1,2 м и закрытого коллектора 1,0…1,5 м и наличии выщелоченной до глубины 0,8 м почвообразующей породы вынос кальция повышался в 2,8…3,3 раза, а вынос магния - в 2,8…4,4 раза, в среднем кальция - в 3,1, а магния - в 3,4 раза. В среднем вынос как кальция, так и магния с дренажным стоком при дренировании почв, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах, повышался примерно до трех раз. Имеет место интенсивное выщелачивание этих почв. В то время как мелиорация должна быть направлена на сохранение и приумножение плодородия почв, на сокращение потерь элементов питания растений (азот, фосфор, калий, кальций и др.) с дренажным и поверхностным стоком и грунтовыми водами (Мелиорация и водное хозяйство. Осушение: Справочник / Коллектив авторов; Сост.Е.И. Кормыш; Под общ. ред. Б.С. Маслова. - М.: Ассоциация «Экост», 2001. - С. 48, п. 3.3), но мероприятия по охране природы, включая и мероприятия по охране земель, изложенное выше не учитывают (Там же. - С. 397, п. 22.2). Не учитывают изложенное и при назначении глубины заложения дрен и закрытых собирателей, а также глубины проводящей закрытой и открытой осушительной сети (Там же. - С.129, п. 9.3; СНиП 2.06.03-85, п. 3.25: минимальная глубина регулирующей сети дренажа 1,1 м; Шкинкис Ц.Н. Проблемы гидрологии дренажа. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - С. 298, табл. 137; Шкинкис Ц.Н. Гидрологическое действие дренажа. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - С. 101…129, п. 2.4; и др.).

В применяемом в Германии способе назначения глубины дренажа (Р. Эггельсманн. Руководство по дренажу / Пер. с нем. В.Н. Горинского; Под ред. и с предисл. Ф.Р. Зайдельмана. - М.: Колос, 1984. - С.145…147) используют дифференцированный подход, применяя на минеральных почвах:

- очень мелкое заложение дренажа (≤0,7 м) на малых участках с плохими водоприемниками, а также на пылеватых почвах, плывунном песке;

- мелкое заложение дренажа (0,8…0,9 м) на слабоводопроницаемых почвах, заболоченных связанной влагой;

- среднее по глубине заложение дрен (1,0…1,2 м) на почвах со средней водопроницаемостью;

- глубокое заложение дренажа на богатых питательными веществами и известью мощных почвах;

- очень глубокое заложение дренажа (1,5…1,8 м) при возделывании хмеля.

При этом глубина дрен - это расстояние от дна дренажной траншеи до поверхности почвы. Слой почвы над коллектором должен быть не менее 0,8 м, в исключительных случаях допускается 0,7 м, но требуется обоснование (Там же, с. 143). В проекте дренажной системы, согласно стандарту ФРГ DIN 1185, уделяется повышенное внимание и продольным профилям как закрытой, так и открытой проводящей сети (Там же, с. 177…183).

Недостатки: не учитывают выщелачивание минеральных почв, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах, и их охрану; необоснованно и применение глубокого заложения дренажа (по-видимому, 1,2…1,5 м) на богатых известью мощных почвах; не учитывают и степень оглеения почвогрунта - степень нуждаемости почвы в осушении.

Известен способ осушения минеральных почв разной степени оглеения закрытым дренажем с коллектором и дренами, обеспечивающими за счет расстояния между ними, глубины их заложения, диаметра труб и агромелиоративных мероприятий требуемую выращиваемыми растениями интенсивность сброса поверхностных вод и гравитационной воды из пахотного слоя, а также и норму осушения в расчетный период года с водной нагрузкой расчетной вероятности превышения (Мелиорация и водное хозяйство. 3. Осушение: Справочник / Под ред. Б.С. Маслова. - М.: Агропромиздат, 1985. - С. 21, 50…54, 65, 85…87; прототип). Но действующие нормативы не учитывают особенностей осушения минеральных почв, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах (Справочник агронома Нечерноземной зоны / Под ред. Г.В. Гуляева. - М.: Агропромиздат, 1990. - С. 54). Методы и способы дренирования этих почв до сих пор не известны.

Задача, поставленная в изобретении, заключается в снижении темпа выщелачивания почв разной степени оглеения, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах, за счет сокращения выноса кальция и магния с дренажным стоком.

Технический результат заключается в снижении потребности в известковании при сельскохозяйственном использовании рассматриваемых почв и в продлении срока службы и сохранении для потомков почв, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах.

Решение поставленной в изобретении задачи представлено в двух вариантах.

Вариант 1. В способе осушения минеральных почв разной степени оглеения, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах, регулирующей сетью, обеспечивающей за счет глубины ее заложения и расстояния между ней требуемую выращиваемыми растениями интенсивность сброса поверхностных вод и гравитационной воды из пахотного слоя, а также норму осушения в расчетный период года с водной нагрузкой расчетной вероятности превышения, осушение глееватых и глеевых почв, выщелоченных до глубины H_B, меньшей суммы глубины заложения регулирующей осушительной сети h и критической глубины их выщелачивания h_kp, осуществляют исходя из требования охраны природы по сохранению почв от выщелачивания или как минимум по снижению его темпа за счет сокращения выноса кальция и магния с дренажным стоком, снижая при этом и потребность рассматриваемых почв в известковании, принимая глубину заложения постоянной регулирующей осушительной сети минимально возможной, устанавливая ее и из условия неповреждения труб регулирующей сети сельскохозяйственной техникой, работающей на поле, и автотранспортом, занятым на уборке урожая, т.е. принимая h=h_min при Н_В≤h+h_kp, используя рассматриваемые почвы под культуры с мелкой корневой системой и требующие минимальной нормы осушения, которую обеспечивают за счет частой регулирующей сети. При этом постоянная регулирующая осушительная сеть может быть представлена как закрытыми дренами, так и закрытыми собирателями, а для ускорения сброса поверхностных вод и гравитационной воды из пахотного слоя постоянную регулирующую осушительную сеть дополняют агромелиоративными мероприятиями - ежегодно возобновляемыми бороздами, гребнями или грядами. Каждой трубе регулирующей осушительной сети, изготовленной из определенного материала и по технологии, присуща своя прочность, а для осушения рассматриваемых почв применяют трубы повышенной прочности и стойкие к воздействию агрессивной среды.

Вариант 2. В способе осушения минеральных почв разной степени оглеения, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах, регулирующей сетью, обеспечивающей за счет глубины ее заложения и расстояния между ней требуемую выращиваемыми растениями интенсивность сброса поверхностных вод и гравитационной воды из пахотного слоя, а также норму осушения в расчетный период года с водной нагрузкой расчетной вероятности превышения, осушение слабоглееватых почв, выщелоченных до глубины Н_В, меньшей суммы глубины заложения регулирующей осушительной сети h и критической глубины их выщелачивания h_kp, осуществляют исходя из требования охраны природы по сохранению почв от выщелачивания или как минимум по снижению его темпа за счет сокращения выноса кальция и магния, снижая при этом и потребность рассматриваемых почв в известковании, принимая осушение рассматриваемых почв временного избыточного увлажнения методом ускорения поверхностного стока и методом ускорения стока по пахотному слою с применением временных ежегодно возобновляемых агромелиоративных мероприятий в виде систематических или выборочных борозд, а также гребней или гряд. При этом проводящая осушительная сеть может быть представлена постоянными открытыми собирателями, принимающими и отводящими воду, поступающую из агромелиоративных борозд, гребней и гряд.

Заявленный способ осушения минеральных почв разной степени оглеения, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах, включает следующие операции:

- проведение почвенно-мелиоративных изысканий на объекте, намеченном к осушению, составление комплексной почвенно-мелиоративной инженерно-геологической карты с указанием границ степени оглеения и карбонатности почвогрунтов как по глубине, так и в плане, установление для объекта критической глубины залегания карбонатности почвогрунтов;

- учитывая перспективу развития хозяйства, установление возможного сельскохозяйственного использования почв на осушаемом объекте.

Далее заявленный способ осушения минеральных почв разной степени оглеения, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах, осуществляют либо по варианту 1, включающему следующие операции:

- установление возможности использования глееватых и глеевых почв, выщелоченных до глубины Н_В, меньшей суммы глубины заложения регулирующей осушительной сети h и критической глубины их выщелачивания h_kp, под культуры с мелкой корневой системой и требующих минимальной нормы осушения;

- установление возможности осушения данных почв как закрытыми дренами, так и закрытыми собирателями, принимая глубину их заложения минимально возможной и устанавливая ее из условия неповреждения труб регулирующей сети сельскохозяйственной техникой, работающей на поле, и автотранспортом, занятым на уборке урожая: h=h_min при H_B≤h+h_kp;

- принятие решения о материале труб и глубине их укладки на объекте;

- расчет расстояний между регулирующей осушительной сетью;

- составление проекта дренажной системы;

- строительство дренажной системы с соблюдением действующих норм и правил; составление исполнительной документации;

- приемка осушительной системы в эксплуатацию, передача исполнительной документации землепользователю;

- применение землепользователем агромелиоративных мероприятий для ускорения сброса поверхностных вод и гравитационной воды из пахотного слоя в процессе сельскохозяйственного использования земель, представленными временными ежегодно возобновляемыми агромелиоративными бороздами, гребнями и грядами;

либо по варианту 2, включающему следующие операции: осушение слабоглееватых почв временного избыточного увлажнения, выщелоченных до глубины Н_В, меньшей суммы глубины заложения регулирующей осушительной сети h и критической глубины их выщелачивания h_kp, регулирующей осушительной сетью, представленной временными ежегодно возобновляемыми агромелиоративными бороздами, гребнями и грядами, ускоряющими поверхностный сток и сток по пахотному слою, проводящую осушительную сеть при этом представляют постоянными открытыми собирателями.

В основу решения поставленной задачи положены результаты 33-летних натурных комплексных наблюдений за действием осушительных систем на минеральных почвах, сформировавшихся на карбонатной почвообразующей породе. Предлагаемое снижение глубины осушительной регулирующей сети обеспечивает снижение среднемноголетнего объема дренажного стока в среднем для диапазона применяемых расстояний между регулирующей сетью на 37%.

Как известно, к закрытой осушительной регулирующей сети относят закрытые дрены, понижающие уровень инфильтрационных, почвенно-грунтовых, грунтовых и грунтово-напорных вод, и закрытые собиратели, отводящие воду с поверхности почвы и из пахотного слоя. В Германии на минеральных почвах, как отмечено выше, на малых участках с плохими водоприемниками, а также на пылеватых почвах и плывунном песке рекомендуют очень мелкое заложение дренажа (≤0,7 м). В Белоруссии в отдельных микропонижениях допускают уменьшение глубины заложения закрытой регулирующей сети до 0,8 м (Мелиорация: Энцикл. справочник / под общ. ред. А.И. Мурашко. - Мн.: Белорус. Сов. Энцикл., 1984. - С. 136). В России закрытые собиратели укладывают на глубину не менее 0,8 м (Печенина B.C., Юрченко И.Ф. Собиратель. - В сб.: Мелиоративная энциклопедия, т. III / Сост. Б.С. Маслов. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2004. - С. 188…189), по рекомендациям СевНИИГиМ при осушении тяжелых слабоводопроницаемых почв допускается уменьшение глубины до 0,7 м (Кривоносов И.М. Глубина закладки дрен. - В кн.: Губарь Н.С. и др. Сельскохозяйственные мелиорации в Нечерноземной полосе. - М.: Колос, 1964. - С. 208…210). Исходя из многолетнего опыта работы дренажа в тяжелых суглинистых и глинистых почвогрунтах на Олонецкой и Корзинской равнинах в Карелии, минимально допустимую глубину закрытой регулирующей сети принимают равной 0,7 м (Рекомендации по осушению, освоению и сельскохозяйственному использованию осушаемых земель в Карельской АССР / Коллектив авторов. - Петрозаводск: Карелия, 1973. - С. 19…20). Естественно, что при этом применяют трубы, имеющие достаточную прочность. Так, для дренажных керамических труб внутренним диаметром 50, 75 и 100 мм, изготовленных в соответствии с ГОСТ 8411-74, допустимая минимальная глубина укладки равна 0,7 м (Мелиорация и водное хозяйство. Осушение: Справочник / Сост. Е.И. Кормыш; Под общ. ред. Б.С. Маслова. - М.: Ассоциация «Экост», 2001. - С. 131, табл. 10.1).

Применение более мелкой глубины заложения закрытой регулирующей сети и, соответственно, более мелкой проводящей закрытой и открытой осушительной сети, а на почвах временного избыточного увлажнения - только метода ускорения поверхностного стока и сброса гравитационной воды из пахотного слоя, реализуемого способом агромелиоративных мероприятий, даст значительное снижение выноса кальция с дренажным стоком. Снижая глубину дренажной системы до минимальной, снижаем и объем дренажного стока. При этом ожидаемое сокращение интенсивности выщелачивания почвы, сформировавшейся на карбонатной почвообразующей породе, в среднемноголетнем разрезе при высоком уровне окультуривания почвы и высоком уровне ее использования составит порядка 130 кг Са²⁺/(га·год), при среднем уровне окультуривания почвы и среднем уровне ее использования - порядка 60 кг Са²⁺/(га·год), в то время как при соблюдении предложенного на почве с бескарбонатной почвообразующей породой во втором рассмотренном случае оно составило бы лишь порядка 8 кг Са²⁺/(га·год). Снижение выноса СаСО₃ при этом достигает соответственно 325 и 150 кг/(га·год), а на почве с бескарбонатной почвообразующей породой оно составило бы лишь порядка 20 кг/(га·год).

Предлагаемый способ осушения закрытым дренажем минеральных почв, сформировавшихся на карбонатных почвообразующих породах, обеспечивает достижение ожидаемого технического результата, а именно: продление срока службы рассматриваемых почв, сохранение их для потомков и снижение потребности при сельскохозяйственном использовании рассматриваемых почв в известковании.