Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОСУШЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОЧВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

Изобретение относится к области сельского хозяйства и комплексной мелиорации агроландшафтов Нечерноземной зоны и, в первую очередь, к осушению земель сельскохозяйственного назначения с пересеченным рельефом, предназначенных для реализации точного земледелия. Оно может быть применено также при реконструкции и ремонте осушительных систем и сельскохозяйственном использовании мелиорируемых земель, проведении так называемой «сухой культуртехники» и использовании склоновых земель, а также при осушении сортоиспытательных и других опытных участков. Рекомендуется его использовать и в учебном процессе при подготовке как инженеров-мелиораторов, так и почвоведов и ученых агрономов.

При помощи осушения земель создается жизненное пространство, необходимое для существования человека. До последнего времени осушение земель сельскохозяйственного назначения осуществляют исходя из требований растений к водному режиму почвогрунтов и требований сельскохозяйственного производства к реализации индустриального земледелия с целью широкой механизации работ с помощью высокопроизводительной техники, предназначенной для повышения производительности труда в сельском хозяйстве. В результате осушения земель создавали и продолжают создавать поля севооборота по возможности прямоугольной формы с длиной в направлении основной обработки не менее 400…500 м (при наличии мелкой контурности вынуждены обрабатывать участки с длиной гона 150…200 м и менее). При этом осушительная сеть обеспечивает нарезку полей севооборота прямоугольной формы с соотношением сторон 1:2…1:4. При современных скоростях тракторов при длине гона менее 400 м заметно уменьшается их производительность. С увеличением рабочих скоростей тракторов размеры полей должны возрастать. При невозможности создания полей прямоугольной формы длинные их стороны размещают параллельно друг другу. Для ликвидации мелкой контурности угодий и укрупнения полей включали и включают в проекты мелиораций в пределах границ объектов, а также на примыкающих к ним площадях проведение культуртехнических работ на землях, не требующих осушения, но нуждающихся, как правило, в противоэрозионных мероприятиях. При этом используют действующие строительные нормы и правила (СНиП), технические условия (ТУ) и другие нормативы: СНиП 2.06.03-85 «Мелиоративные системы и сооружения». - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 60 с.; Пособие П 1-98 к СНиП 2.06.03-85. - Минск: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, 1999. - 85 с.; Указания по составлению мелиоративных проектов. Часть I / Осушение. - Каунас: Литгипроводхоз, 1966. - 88 с.; Руководство по проектированию осушительных и осушительно-увлажнительных систем. - М.: Мосгипроводхоз - Главнечерноземводстрой, 1976. - 133 с.; Зайдельман Ф.Р. Мелиорация заболоченных почв Нечерноземной зоны РСФСР: Справочная книга. - М.: Колос, 1981. - 168 с.; Рекомендации по окультуриванию и сельскохозяйственному использованию мелиорируемых земель в Нечерноземной зоне РСФСР / И.М. Емельянова и др.; одобрены НТС Минсельхоза РСФСР (протокол №11 от 20.05.1977 г.). - Л.: СевНИИГиМ, 1978. - 66 с.; СНиП 3.07.03-85. - М.: Госстрой СССР, 1986; и др.

При осушении земель учитывают и накопленный опыт: Опыт осушения земель закрытым дренажем / Коллектив авторов: А. Бальчюнас, З. Киндерис и др.; Под ред. А.Л. Лукянаса. - М.: Колос, 1975. - 320 с.; Мелиорация: Энцикл. справочник / Коллектив авторов; Под общ. ред. А.И. Мурашко. - Мн.: Белорус. Сов. Энцикл., 1984. - 567 с.; Эггельсманн Р. Руководство по дренажу / Пер. с нем. В.Н. Горинского; Под ред. и с предисл. Ф.Р. Зайдельмана. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1984. - 247 с.; Мелиорация и водное хозяйство. Осушение: Справочник / Коллектив авторов; Сост. Е.И. Кормыш; Под ред. B.C. Маслова. - М.: Ассоциация «Экост», 2001. - 606 с. (аналог); Гулюк Г.Г., Черняк М.Б., Штыков В.И., Янко Ю.Г. Руководство по мелиорации полей / Под ред. В.И. Штыкова. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - 238 с.; и др.

Изложенный выше подход к осушению земель нашел отражение и в учебном процессе: Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации / Коллектив авторов: Скрипчинская Л.В., Янголь A.M. и др.; Под ред. Л.В. Скрипчинской. - Киев: Вища школа, 1977. - 352 с.; Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации / МГМИ; Коллектив авторов: Богушевский А.А., Голованов А.И. и др.; Под ред. Е.С. Маркова. - М.: Колос, 1981. - 375 с.; Учебно-методическое пособие по выполнению курсового проекта по осушению сельскохозяйственных земель в Нечерноземной зоне РФ / Сост. А.П. Аверьянов. - М.: МГУП, 2005. - 28 с.; Зайдельман Ф.Р. Генезис и экологические основы мелиорации почв и ландшафтов: Учебник / МГУ. - М.: КДУ, 2009. - 720 с.; и др.

Основной недостаток изложенного подхода к осушению земель, в том числе и аналога, состоит в том, что, несмотря на повышение равномерности осушения полей и производительности труда, в частности повышение проходимости сельскохозяйственных машин и механизмов при проведении полевых работ, нередки случаи, когда не обеспечивается одновременное и в оптимальные сроки созревание почвы весной на всей площади осушаемого поля севооборота, не обеспечивается при этом и одновременное созревание урожая на всей площади поля севооборота. Особенно это проявляется на осушаемом массиве с пересеченным рельефом. Создавая условия для широкой механизации полевых работ, не удается полностью обеспечить на всей площади осушаемого поля севооборота однородные условия для выращивания растений. При этом, в частности, не удается обеспечить и одинаковый водный режим по площади поля севооборота с почвами разного гранулометрического состава, степени оглеения, типа водного питания и уровня плодородия. Контрастность почв по водному режиму, соседних по классу гранулометрического состава, степени оглеения, уровню плодородия и типу водного питания, только понижается, но полностью не устраняется. Практика осушения минеральных земель подсказывает: необходим более дифференцированный подход.

Как известно, по уровню плодородия минеральные почвы подразделяют на три группы (Рекомендации по окультуриванию и сельскохозяйственному использованию мелиорируемых земель в Нечерноземной зоне РСФСР / И.М. Емельянова и др. - Л.: СевНИИГиМ, 1978. - С. 4…6). К почвам высокого уровня плодородия относят минеральные почвы при мощности гумусового горизонта более 22 см, содержании подвижного фосфора более 15 мг/100 г почвы и кислотности pH более 5,5. К группе со средним уровнем плодородия относят минеральные почвы с мощностью гумусового горизонта от 17 до 22 см, содержанием фосфора от 10 до 15 мг/100 г почвы и кислотностью pH от 4,5 до 5,5, а к группе с низким уровнем плодородия - при мощности гумусового горизонта менее 17 см, содержании подвижного фосфора ниже 10 мг/100 г почвы и pH ниже 4,5.

Необходимо так же учитывать, что в России введена частная собственность на землю: вместо колхозов и совхозов, управлявших использованием крупной государственной собственности на землю, появилось много мелких частных землевладельцев. Естественно, что изменились и требования к осушению земель.

Перед предлагаемым изобретением поставлена задача, чтобы в результате осушения конкретного массива земель сельскохозяйственного назначения, осуществляемого в системе комплексной мелиорации агроландшафта, создавались агротехнически однородные поля севооборота, как минимум рабочие участки, необходимые для реализации точного земледелия.

Практические пути реализации принципов точного земледелия при осушении земель сельскохозяйственного назначения лежат в основе научной концепции точного земледелия - представления о существовании неоднородностей в пределах одного поля. При этом, не углубляясь в научную терминологию, очевидно, возможно дать следующее определение «точному земледелию»: это управление продуктивностью посевов с учетом локальных особенностей внутри каждого поля севооборота, на каждом его квадратном метре.

Технический результат в результате осушения минеральных почв для реализации точного земледелия заключается в обеспечении одновременного и в оптимальный срок созревания почвы весной на всей осушаемой площади каждого рабочего участка, составляющего поле севооборота, и однородного водного, питательного и теплового режимов почвы в течение вегетационного периода, применения одинаковой агротехники на всей площади участка и одновременного созревания урожая, что позволит реализовать точное земледелие на каждом рабочем участке и повысить при этом продуктивность и эколого-экономическую эффективность осушаемых земель.

Поставленная задача решена тем, что способ осушения минеральных почв для реализации точного земледелия включает осушение массива почв закрытым дренажем. При этом массив почв, намеченный к осушению, мелиорируют в системе комплексной мелиорации агроландшафта отдельными самостоятельными массивами - рабочими участками, входящими в состав поля севооборота. Границы рабочих участков устанавливают исходя из предельно допустимой их неоднородности по площади по водному и тепловому режимам и почвенному плодородию: каждый из рабочих участков не менее чем на 90% площади располагают на почве с одним типом водного питания, одной степенью оглеения почвогрунта, одним уровнем плодородия, а почва на каждом из рабочих участков по своему гранулометрическому составу не менее чем на 90% площади относится к одному классу по классификации Н.А. Качинского, при этом не больше 10% площади рабочего участка по окрайкам занимает площадь, относящаяся к соседнему более легкому по гранулометрическому составу классу почвы, на двучленном наносе при средней его мощности не больше 0,7 м разницу в мощности верхнего водопроницаемого слоя наноса по площади рабочего участка допускают не больше 0,2 м и 0,3 м - при средней мощности верхнего слоя 0,7…1,0 м. По границам рабочих участков устраивают отвод поверхностных вод. При этом:

- один рабочий участок размещают на склоне одной или близких экспозиций;

- в один рабочий участок не включают осушаемые минеральные и торфяные почвы, а также пойменные почвы с различным сроком поемности;

- размещение полевой дорогой, необходимой для эксплуатации рабочего участка, увязывают с расположением как проводящей, так и регулирующей осушительной сети;

- по периметру рабочего участка устраивают поле- или садозащитную лесную полосу. Равномерность осушения почвы рабочего участка по площади обеспечивают посредством дифференцирования параметров дренажа и агромелиоративных мероприятий по его площади, учитывая гранулометрический состав почвогрунта выше линии дрен, строение почвенного профиля, изменение коэффициента фильтрации с глубиной и глубину залегания водоупора, степень оглеения почвогрунта, его пылеватость, степень окультуренности почвы, тип водного питания, условия отвода поверхностных вод, уклон поверхности почвы и ориентацию склона, планируемое использование осушаемых земель, географическое расположение массива осушения и условия производства работ, обеспечивающего качественную укладку дренажа механизированным способом. Посредством применения дифференцированной системы окультуривания почвы, в том числе и первичного, обеспечивают после осушения однообразие плодородия почвы по площади рабочего участка, допуская различие по площади рабочего участка в мощности пахотного слоя не больше 2…3 см, по валовому содержанию гумуса - 0,5%, по показателю pH для почв кислых - единица и слабокислых - 0,5, по валовому содержанию фосфора и калия - 1,0%, азота - 0,1%, а по содержанию подвижных элементов питания в допустимых для растения формах - не больше 5…7% (относительных).

Почвенный покров минеральных почв Нечерноземной зоны характеризуется высокой пространственной неоднородностью, связанной преимущественно с вариабельностью гранулометрического состава почвообразующих пород, микро- и мезорельефом местности. Высокая пространственная неоднородность физических свойств почв диктует необходимость новых подходов к осушению почв и применения в отличие от ранее сложившихся других технологических решений.

Известно, что поля севооборота - это равновеликие земельные участки (части севооборотного массива), предназначенные для поочередного возделывания сельскохозяйственных культур (в соответствии со схемой чередования) и выполнения связанных с этим полевых работ. Поле может включать один или несколько, ввиду неоднородности почв, рельефа местности и других условий, рабочих участков. Наилучшим решением является такое, когда поле целиком состоит из одного рабочего участка - территории, пригодной для одновременного выполнения полевых работ по единой технологии и размещения всех сельскохозяйственных культур, предусмотренных схемой севооборота. Рабочий участок должен быть агротехнически однородным. Это предполагает единые сроки проведения полевых работ, одновременность прохождения фаз роста растений, единый характер механизированной обработки. Поэтому в первую очередь выделяют отдельно расположенные рабочие участки, а затем из них формируют поля севооборотов.

Условия формирования рабочих участков в Нечерноземной зоне противоречивы. С одной стороны, необходимо обеспечить агротехническую однородность участка, что в условиях зоны, особенно при пересеченном рельефе, зачастую исключает возможность объединения контуров в крупный массив - рабочий участок, а с другой - рабочий участок должен быть достаточно крупным, пригодным для механизированной обработки. Перечисленные условия нередко находятся в противоречии, поэтому при обосновании размещения рабочих участков необходим творческий подход.

Размещение рабочих участков в границах мелиорируемого массива начинают после завершения изысканий, так как от этого зависят расположение и параметры осушительной сети, и осуществляют, естественно, до начала проведения мелиоративных работ.

Для установления границ рабочих участков по гранулометрическому составу почвогрунты подразделяют на 9 классов. При этом используют шкалу Н.А. Качинского (табл. 1), а класс гранулометрического состава почвогрунта определяют полевым нормированным органолептическим методом по ГОСТ 28268-89, применяя раскатывание шнура диаметром около

3 мм на ладони и его последующее сворачивание в кольцо диаметром примерно 30 мм, т.е. на порядок большим. Шнур при этом, в зависимости от гранулометрического состава почвогрунта, приобретает различный вид, по которому и устанавливают класс почвогрунта по гранулометрическому составу (табл. 2).

До сих пор, к сожалению, несмотря на дифференцированный подход к назначению параметров дренажа по площади, не всегда удавалось достичь одинакового водного режима почв как на участках с почвогрунтами, отличающимися по величине составляющих водного баланса, гранулометрическому составу и, естественно, водоотдаче, воздухообеспеченности и величине оптимальной для выращивания растения влажности, так и на участках с почвогрунтами разной степени оглеения, а также и с почвами разного уровня плодородия, отличающимися, естественно, и по водоотдаче. Поэтому внесено предложение создавать раздельно рабочие участки также и на глубокооглеенных, слабоглееватых, глееватых и глеевых почвогрунтах (даже при условии их размещения на площади с одним типом водного питания), а также на почвогрунтах с различными типами водного питания, выделяя рабочие участки с атмосферным; атмосферным и намывным; атмосферным, намывным и грунтовым; атмосферным и грунтовым, атмосферным и грунтово-напорным типами водного питания, и почвами разного уровня плодородия.

Требование одинаковой теплообеспеченности выращиваемой культуры по площади рабочего участка реализуют посредством размещения рабочего участка только на склоне одной или близких экспозиций, созданием по его периметру поле- или садозащитной лесной полосы, которая обеспечивает также и более выровненный водный режим по площади (Альбенский А.В. Защитное лесоразведение в Нечерноземной зоне. - М.: Россельхозиздат, 1977. - 56 с.), а также учетом гранулометрического состава почвы и уровня ее плодородия. Суглинистые и глинистые почвы, содержащие больше воды и органического вещества, обладают и большей теплоемкостью, чем песчаные и супесчаные с меньшим количеством воды. В то же время они медленно прогреваются, их называют холодными.

Однообразие по площади рабочего участка водного режима и плодородия почвы устанавливают с учетом практически достижимой точности определения их показателей применяемыми на практике способами.

Критерием первоочередной важности учета факторов при разбивке рабочих участков является степень их значимости для эффективной оптимизации состояния осушаемых почв. Базовыми (основными) являются гранулометрический состав почвогрунта и содержание органического вещества почвы, а так же степень оглеения почвогрунтов и тип водного питания. Важно также учесть при этом и доказать литологическую однородность почвенного профиля по площади рабочего участка. Границы рабочих участков устанавливают и с учетом требований и нормативов по формированию устойчивых агроландшафтов.

Однако каким бы детальным ни было почвенное обследование, оно не может с достаточной точностью выявить микропестроту почв, в частности, расположение пятен с наиболее бедной и плодородной почвой. Поэтому осуществляют комплексную мелиорацию рабочего участка, применяя при этом и дифференцированный подход к окультуриванию почвы, в том числе и к первичному, по площади рабочего участка.

Необходимо отметить, что предпринимаемые до последнего времени попытки создать агроэкологически однотипные поля севооборота на уже ранее осушенных (из условия обеспечения максимальной производительности труда) массивах, как правило, не всегда приносят успех. Постановка задачи должна быть иная: создавать агроэкологически однотипное поле (рабочий участок) севооборота в процессе - результате осушения земель. Разрешение этой задачи - основа реализации точного земледелия на осушаемых землях. На это и направлено данное предлагаемое изобретение.

Способ осушения минеральных почв для реализации точного земледелия включает следующие операции:

1. Проведение изысканий на массиве почв, намеченного к осушению, с целью составления его топографического плана, карты культуртехнического состояния и комплексной почвенно-геологической карты.

2. Проектирование осушительной системы:

- разбивку на топографическом плане 1-го варианта расположения проводящей открытой осушительной сети и внутриполевых дорог;

- разбивку размещения на осушаемом массиве рабочих участков для обеспечения по их площади однородного плодородия почвы, водного и теплового режимов;

- разработку схемы осушения каждого рабочего участка, в т.ч. и системы мер по охране природы на каждом рабочем участке, при этом участки с грунтово-напорным типом водного питания не осушают, а используют в естественном состоянии;

- увязку решений по всем предыдущим операциям;

- уточнение методов и способов осушения закрытым дренажем каждого рабочего участка, в том числе и системы агромелиоративных мероприятий, с целью обеспечения одинакового по площади режима осушения, обуславливаемого выращиваемыми культурами;

- отвод поверхностных вод по границе участка;

- разработку дифференцированной системы окультуривания почвы, в том числе и первичного, на каждом рабочем участке с целью обеспечения одинакового плодородия почвы по площади;

- рассмотрение принятых решений на научно-техническом совете и их утверждение.

3. Перенос рабочего проекта осушения массива в натуру.

4. Строительство осушительной сети, дорог, выполнение работ по дифференцированному окультуриванию почв, систематический контроль качества выполняемых работ по каждому рабочему участку.

5. Использование осушаемых земель в разрезе каждого рабочего участка и продолжение при этом работ по дальнейшему окультуриванию почвы.

6. Эксплуатация осушительной системы, контроль агроэкологической однотипности каждого осушаемого рабочего участка по площади и в случае необходимости принятие должных мер.

Способом осушения минеральных почв для реализации точного земледелия как объектом изобретения является процесс осуществления действий над материальным объектом - массивом осушения с помощью материальных средств.

Пример реализации заявленного способа на 3-м поле северного полевого севооборота площадью 38 га в бывшем совхозе «Крючково» на территории Тверской области.

На указанном поле были реализованы все операции, перечисленные выше в п. 1…6.

Поле площадью 38 га, расположенное на склоне южной ориентации (экспозиции), состоит из 3-х рабочих участков. На рабочем участке каждый из рассматриваемых факторов встречается только один раз. На 1-ом участке площадью 28 га почва дерново-подзолистая легкосуглинистая глееватая на морене, среднего уровня плодородия с атмосферным водным питанием и средним уклоном поверхности, равным 0,005. 2-й рабочий участок площадью 6 га занимает подножие склона практически с нулевым уклоном поверхности, почва глеевая, оторфованная, высокого уровня плодородия, тип водного питания - атмосферный+грунтовый. Выделенный 3-й рабочий участок занимает площадь 4 га под разравненным кавальером с почвой, аналогичной почве на 1-м участке, но низкого уровня плодородия. Кавальер и его разравнивание обусловлены необходимостью устройства открытого проводящего канала, в который впадают закрытые коллекторы и 1-го рабочего участка.

Каждый из рабочих участков имеет равномерное по площади плодородие почв и их осушение закрытым дренажем в сочетании с агромелиоративными мероприятиями, а по границе - отвод поверхностных вод.

Составляя одно поле севооборота, каждый из трех рабочих участков различается по плодородию почвы и водному режиму, но однороден каждый сам по себе. При этом 2-й рабочий участок с целью охраны природы - сохранения оторфованной почвы используют под культурный сенокос.

При проведении комплексной мелиорации земель на каждом из трех рабочих участков применен дифференцированный подход как к их осушению, так и к выравниванию плодородия почвы, их первичному окультуриванию, в частности и к известкованию. Применен дифференцированный подход и к дальнейшему окультуриванию почв на каждом из трех рабочих участков в процессе их сельскохозяйственного использования.

Создание в составе поля севооборота трех рабочих участков вместо одного позволило создать на каждом отдельно взятом рабочем участке более агрономически однородные условия для выращивания возделываемых культур. На каждом из рабочих участков обеспечен однородный водный режим, однообразие плодородия почв, равномерное созревание урожая. Продуктивность культур в целом на поле севооборота повысилась на 20…22%, что отвечает требованиям внедрения точного земледелия на дренируемых землях. Изложенное обеспечило достижение прогнозируемого технического результата.

Предложенный способ осушения минеральных почв для реализации точного земледелия соответствует генетическим особенностям почв и почвообразующих пород, он адекватен их свойствам и режимам, поэтому и эффективен. Он обеспечивает создание выровненного по площади рабочего участка водного, воздушного, теплового и питательного режимов почвы и получение в конечном итоге равномерно распределенной по площади и одновременно созревающей урожайности.