Орошение как фактор устойчивого развития сельскохозяйственного производства Воронежской области

УДК 556.332.63

ОРОШЕНИЕ КАК ФАКТОР УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ

© В.М. Смольянинов, В.И. Шмыков, Л.И. Матвеева

Ключевые слова: коэффициент природной увлажненности; орошение земель; антропогенное воздействие; ресурсы грунтовых вод; регулирование речного стока; водопроницаемость; искусственное пополнение подземных вод; инфильтрационный купол; фильтрующие водоемы; водозаборные скважины.

Проблема продовольственной безопасности в нашей стране может быть решена при устойчивом развитии сельскохозяйственного производства, что возможно при эффективном использовании сельскохозяйственных земель и минимальной зависимости их продуктивности от климатических изменений. Добиться этого можно средствами орошения земель. Южные районы Воронежской области наиболее сильно нуждаются в орошении. Здесь строить пруды затруднительно в связи высокой водопроницаемостью рельефообразующих пород. На юге области можно использовать принципиально новые схемы водозаборов - системы искусственного пополнения подземных вод, использующие естественную водопроницаемость горных пород. Они особенно эффективны в районах с недостаточным увлажнением, нуждающихся в мелиорации земель. Системы искусственного пополнения подземных вод рекомендованы для регионов, где существуют благоприятные условия для их создания.

Воронежская область находится в зоне неустойчивого увлажнения с коэффициентами природной увлажненности территории 0,51-0,60, а также в зоне недостаточного увлажнения, где эти коэффициенты не превышают 0,50. Средняя продолжительность суховейных юго-восточных ветров в области составляет 56 дней, при этом засухи и суховеи практически отмечаются ежегодно, а в каждый третий-четвертый год они бывают интенсивными. Например, в Кантемировском районе в последние годы в летние месяцы выпало менее 20 мм осадков [1]. Их количество в Воронежской области уменьшается с северо-запада на юго-восток, в том же направлении отмечается ухудшение природной увлажненности территории (рис. 1).

В этих условиях необходимо проводить орошение земель. При проведении орошения в регионах с интенсивной хозяйственной деятельностью человека следует

Рис. 1. Зоны Воронежской области с неодинаковой природной увлажненностью территории

учитывать не только особенности природных условий, но и интенсивность антропогенных воздействий на природную среду, вызывающих ухудшение качества земель и природных волн. Для таких регионов нами разработана концепция комплексной мелиорации, одним из главных мероприятий которой является орошение. Создание этой концепции определяется необходимостью интенсификации земледелия в условиях высокой антропогенной нагрузки на природную среду региона. Этого требует также сложившаяся экологическая обстановка в землепользовании, а также значительные площади земель с негативными последствиями хозяйственной деятельности [1]. Комплексная мелиорация предусматривает следующие положения:

1) орошение земель следует рассматривать в составе землеустройства, проводимого в природнохозяйственных системах - агроэкосистемах, которые находятся на речных водосборах и характеризуются определенным природным комплексом, нарушенным в той или иной степени хозяйственной деятельностью человека;

2) при оценке условий проведения орошения земель в Воронежской области, которая отличается интенсивной хозяйственной деятельностью человека, необходимо учитывать информацию о величине антропогенного воздействия на природную среду с определением интегральных показателей антропогенной нагрузки, а также последствий хозяйственной деятельности человека. При этом следует использовать сведения обо всех экзогенных процессах на речном водосборе: водной эрозии почв, карсте, суффозии, оползнях, подтоплении, переувлажнении и засолении земель, а также процессах, связанных с хозяйственной деятельностью человека - загрязнении земель, растительности, поверхностных и подземных вод;

3) при орошении земель на речном водосборе происходит дополнительное антропогенное воздействие на все компоненты природной среды. Поэтому при эксплуатации оросительных систем следует использовать комплекс мелиоративных мероприятий, обеспечивающий защиту почв, поверхностных и подземных вод от негативных воздействий не только на участке орошения, но и на прилегающей территории, т. е. на площади речного или крупного балочного водосбора, на котором находится оросительная система;

4) при орошении на речном водосборе необходимо предусматривать оценку состояния сельскохозяйственного водоснабжения и проводить мероприятия по его улучшению;

5) обязательным условием проведения орошения является организация постоянных мониторинговых наблюдений за состоянием орошаемых земель, поверхностных и подземных вод, а также сельскохозяйственного водоснабжения, что позволяет оценивать эффективность проведенных мероприятий и вносить необходимые корректировки в ранее принятые решения;

6) при проектировании работ по орошению земель необходимо использовать современные методы сбора и обработки информации о состоянии природной среды, земельных и водных ресурсов: ГИС-технологии и дистанционное зондирование.

В развитых странах площадь орошаемых земель в настоящее время составляет не менее 30 %. В нашей стране она никогда не превышала 10 %, а во время проведения земельной реформы эта площадь уменьшилась в результате резкого сокращения финансирования мелиоративных работ. К 2008 г. площадь орошаемых земель уменьшилась с 5,4 млн га в 1990 г. до 4,2 млн га в 2008 г. [2].

На начало 2011 г. орошение в Воронежской области проводилось на 73,1 тыс. га сельскохозяйственных угодий. При этом на 53,9 тыс. га орошаемых земель требуется проведение работ по восстановлению и реконструкции мелиоративных систем. Во многих хозяйствах, и в целом по области, на орошаемых землях урожаи сельскохозяйственных культур в два-три раза выше, чем на богаре. О средней урожайности за последние годы в области при орошении земель и на богаре можно судить по данным табл. 1.

Как установлено, орошение земли в области целесообразно использовать под кормовые севообороты и культурные пастбища, что может обеспечить животно-

водство кормами. Остальную часть орошаемых земель можно использовать на посевы сельскохозяйственных культур, овощей, под сады и сенокосы.

В настоящее время Департаментом мелиорации Минсельхоза России разработана Концепция федеральной целевой программы «Развитие мелиорации сельскохозяйственных земель России на период до 2020 г.», в которой намечаются восстановление и развитие мелиорации в нашей стране [3]. В связи с этим площадь орошения в Воронежской области намечается в ближайшие годы значительно увеличить.

Однако орошение земель оказывает прямое антропогенное воздействие на почвенный покров, что может вызывать процессы дегумификации почв. Как отмечает Д.И. Щеглов, в почвах неорошаемой пашни Центрально-Черноземного региона за более чем 200-летний период использования количество гумуса в верхнем горизонте может снижаться на 1,5-2,0 %, а при орошении за 20 лет - на 1 %, что, в основном, происходит под влиянием изменения водного режима почв. Оно может быть прямым, приводящим к усилению миграции гумуса, и косвенным, влияющим через изменения интенсивности микробиологической деятельности, приводящим к ускорению его минерализации. Вовлечение черноземов в орошаемое земледелие сопровождается трансформацией их солевого профиля. В результате этого происходит слабое нарастание солесо-держания в верхней части профиля и более значимое - в нижней. В качественном составе солей может заметно изменяться содержание ионов. В катионном составе по всему профилю возможно увеличение доли натрия и снижение доли кальция, что вызывает перестановку в ряду катионов: кальций меняется на натрий. В этом составе возрастает доля сульфат-иона, хлора и снижается гидрокарбонат-иона. Эволюция качественного состава солей создает условия для развития процессов солонцевания почв [4].

Анализ физических и водно-физических свойств целинных и пахотных черноземов Воронежской области показал, что оптимальными показателями характеризуются типичные черноземы. К северу и югу области их распространение, а также в ряду: целинные - пахотные - орошаемые черноземы - их свойства ухудшаются. Типовые особенности и генетическое своеобразие их в значительной степени определяется характером гидротермического режима почв.

Таблица 1

Урожайность сельскохозяйственных культур в Воронежской области на орошаемых землях и богаре [3]

Сельскохозяйственные культуры Урожайность, ц/га Валовый сбор, тыс. ц

при орошении на богаре при орошении на богаре

Овощи 259,0 106,1 156,0 167

Сахарная свекла 294,0 188,1 140,0 17440

Многолетние травы, сено 36.9 13,0 192,0 1146

То же, зеленый корм 244,0 77,9 894,0 3972

Однолетние травы, сено 45,5 17,1 49,3 449

То же, зеленый корм 194,0 69,2 266,0 5366

Кукуруза, силос, зел. корм 338,0 153,5 1300,0 34147

Кормовые корнеплоды 331,0 206,8 40,1 588

Получено ц. к.ед./га 40,7 15,8

На пашне после уборки урожая отмечается лишь испарение влаги из почвы. В результате этого ежегодное остаточное накопление недоиспользованной влаги приводит к повышению увлажнения почвы, увеличению глубины весеннего промачивания и более частому, чем на целине промачиванию зоны аэрации.

Водный режим орошаемых черноземов характеризуется глубоким промачиванием почвенно-грунтовой толщи после каждого полива, которое в большинстве случаев составляет более 1 м. При орошении черноземов в почве не отмечается снижения влагосодержания в течение всего вегетационного периода на глубине 1 м. Влажность почвы здесь остается практически постоянной, а по абсолютной величине она выше, чем на неорошаемых землях. Годовое приращение влаги в почве на орошаемых участках в среднем достигает 5080 мм [4].

В Воронежской области существует определенная закономерность в изменении почвенно-поглощающего комплекса (ППК) в целинных и пахотных черноземах. Распашка черноземов сопровождается трансформацией ППК. При этом отмечается снижение емкости катионного обмена примерно на 5-9 %, уменьшение содержания обменных кальция и магния, соответственно, на 49 и 20-30 %.

Орошение черноземов даже пресными водами с минерализацией до 0,5 г/л оказывает заметное воздействие на состояние ППК. В начале при орошении происходит увеличение нестабильности его состава и усиление дифференциации почвенного профиля при отсутствии заметных изменений средней величины емкости катионного обмена.

При этом в составе ППК наблюдается изменение содержания подвижных ионов: снижение количества магния и увеличение натрия и поглощенного водорода, особенно в поверхностных слоях. Содержание обменного кальция в верхней части профиля практически не изменяется, оно несколько увеличивается в нижних слоях гумусового горизонта. К тринадцатому году орошения состав ППК в почве в определенной степени стабилизируется, а в почвенном профиле происходит выравнивание величины пространственного варьирования содержания катионов, но на более высоком уровне по отношению к богарным условиям. В составе ППК уменьшается содержание кальция и отмечается увеличение магния. Количество обменного натрия и водорода нарастает, но с меньшей интенсивностью. Вместе с этим растет степень не насыщенности ППК основаниями [4].

На тринадцатый год орошения в черноземах происходит уменьшение емкости катионного обмена в верхних слоях почвенного горизонта и некоторое увеличение этой емкости в нижней его части. Это говорит об усилении динамичности составляющих компонентов поглощающего комплекса черноземов. В частности, илистой фракции и гумуса в этих условиях. При орошении в почве происходит также изменение в соотношении катионов.

При орошении черноземов, которые являются основным типом почв в Воронежской области, возможны их дегумификация и ухудшение водно-физических свойств. Орошение земель здесь должно сопровождаться постоянным мониторингом состояния почв, позволяющим корректировать нормы полива земель.

Чем совершеннее поливная техника, тем полив становится более экологически безопасным. Показателями безопасного полива дождеванием являются допустимая величина интенсивности дождя и норм полива, при которых не разрушается почвенная структура, не образуется сток поливной воды, а следовательно, не наблюдается ирригационная эрозия почв.

В настоящее время основными источниками воды для полива земель в характеризуемом регионе являются пруды (56,0 %) и реки (40,3 %). Подземные воды используются для этого в небольшом объеме в связи с ограниченностью их ресурсов (0,6 %). Некоторая часть орошаемых земель поливается из русловых водохранилищ, а также сточными водами животноводческих комплексов.

Отбор воды из живого тока рек для орошения можно производить в небольшом объеме, т. к. средние расходы большинства рек в летнюю межень составляют 15 м3/с. Лишь р. Дон, Воронеж, Хопер имеют большие расходы. Поэтому из рек области в течение года можно отбирать на полив земель лишь некоторую часть воды. Для обеспечения водой орошаемого земледелия необходимо производить регулирование весеннего стока [3. 5-6].

В Воронежской области было построено 2870 прудов, объем воды в которых составлял 153 млн м3, а площадь зеркала - 7510 га. Распределены пруды в области неравномерно, что связано с неодинаковыми условиями их строительства. На севере Воронежской области существуют для этого наиболее благоприятные геологические условия, и большая часть балок (95 %) сформирована в слабоводопроницаемых ледниковых суглинках. На песчаных террасах рек Дон и Воронеж балочная сеть вскрывает трещиноватые известняки верхнедевонского возраста, которые прикрыты маломощным покровом суглинков, поэтому для строительства прудов можно использовать не более 25 % балок. На юге Воронежской области балки вскрывают трещиноватые мела, мергели и водопроницаемые суглинки. Здесь можно использовать под пруды лишь 30 % балок при залегании палеогеновых глин в верхних частях балок или неглубоком залегании грунтовых вод в их нижних частях. Как видно, в южных районах Воронежской области, наиболее нуждающихся в орошении земель, существуют неблагоприятные условия для строительства прудов.

Поэтому здесь следует применять принципиально новые схемы водозаборов, т. е. системы искусственного пополнения подземных вод (ИППВо). При этом в балках, сложенных водопроницаемыми породами, строятся фильтрующие водоемы, создающие искусственные ресурсы грунтовых вод, которые можно использовать для орошения земель. Строительство таких водозаборов является наиболее обоснованным путем развития орошаемого земледелия в характеризуемой области, позволяющим дополнительно оросить около 200 тыс. га земель [7].

Фильтрующие водоемы наполняются, так же как и обычные пруды, водами склонового стока в весеннее время; скорость снижения уровня воды в них составляет 2-10, реже - до 20 см/сут. При этом под фильтрующим водоемом образуется инфильтрационный купол, который смещается по потоку грунтовых вод в сторону реки со скоростью от 1 до 20 см/сут. Время растекания

этого купола определяется водопроводимостью верхнего водоносного горизонта и составляет пять-десять месяцев. За счет заполнения водой свободной емкости зоны аэрации в районе фильтрующего водоема, как в подземном водохранилище, накапливаются искусственные ресурсы подземных вод [2].

Системы с искусственным пополнением подземных вод можно применять как для сезонного регулирования весеннего стока - при полном использовании искусственных ресурсов в летнее время, так и для многолетнего регулирования, позволяющего накапливать дополнительные искусственные ресурсы в более влажные годы и использовать их в засушливые периоды. По величине фильтрационных потерь все искусственные водоемы могут быть разделены на: водоемы со скоростью фильтрации до 1 см/сут. - пруды; 5 см/сут. - водоемы с умеренной фильтрацией; более 5 см/сут. -водоемы с сильной фильтрацией.

В системе ИППВо для орошения земель входят: фильтрующие водоемы, водозаборные скважины и регулирующие водоемы накопители. С учетом скорости фильтрации из водоемов выделяются два типа таких водозаборов:

1) комбинированный водозабор с ИППВо. Наиболее благоприятные условия для строительства таких водозаборов существуют в нижних частях крупных балок при относительно близком залегании (5-10 м) грунтовых вод;

2) водозабор скважин с ИППВо. Такие водозаборы используются при высокой водопроницаемости рельефообразующих пород и относительно глубоком залегании грунтовых вод, т. е. до 10-20 м [2].

Южные районы Воронежской области нуждаются в строительстве водозаборов с ИППВо, а также обладают благоприятными условиями для этого. Здесь рельефообразующими породами являются трещиноватые мела и мергели верхнемелового возраста. Основными показателями при выделении площадей с благоприятными условиями строительства водозаборов были приняты:

1) неглубокое залегание грунтовых вод - менее 20 м;

2) высокая водопроницаемость зоны аэрации: коэффициент фильтрации >0,5 м/сут.; 3) наличие свободной емкости зоны аэрации; 4) хорошие гидрогеологические условия: коэффициент водопроницаемости водоносного горизонта >100 м2/сут.; удельные дебиты скважин >5 м3/ч [2].

Использование водозаборов ИППВо приводит к некоторому удорожанию строительства мелиоративных систем, однако применение ИППВо является наиболее оправданным путем развития орошаемого земледелия в южных районах Воронежской области.

При оценке условий проведения орошаемого земледелия необходимо учитывать существующую антропогенную нагрузку на земельные и водные ресурсы и определять дополнительную нагрузку, которую будет оказывать проектируемая оросительная система. Это требует создания дополнительных природоохранных и почвозащитных мероприятий, проводимых не только на участке орошения, но и на прилегающей террито-

рии, т. е. на площади речного или крупного балочного водосбора, где находится оросительная система. Это позволит сохранить качество сельскохозяйственных земель и минимизировать зависимость их продуктивности от погодных условий.

Устойчивое развитие сельскохозяйственного производства позволит решить проблему продовольственной безопасности в нашей стране. Добиться этого в Воронежской области можно средствами комплексной мелиорации, которая включает в себя орошаемое земледелие в сочетании с прогрессивной агротехникой, использованием высокопродуктивных сельскохозяйственных культур, органических и неорганических удобрений. При этом основным условием устойчивого развития сельскохозяйственного производства является орошаемое земледелие.

ЛИТЕРАТУРА

1. Смольянинов В.М., Стародубцев П.П. Комплексная мелиорация и орошение земель в Центрально-Черноземном регионе: состояние, условия развития: монография. Воронеж: Изд-во «Истоки», 2011. 179 с.

2. Смольянинов В.М. Водозаборы с искусственным пополнением подземных вод для орошения земель в Центрально-Черноземном регионе // Вестн. Воронеж. ун-та. Сер. Геология. Воронеж, 2012. Вып. 1. С. 224-227.

3. Методика оценки качества вод для орошения сельскохозяйственных культур на черноземах в Центрально'-Черноземных областях. Новочеркасск: ЦЧО-Гипроводхоз, Югмелиорация, 1988. 36 с.

4. Щеглов Д.И. Черноземы Центра Русской равнины и их эволюция под влиянием естественных и антропогенных факторов: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Воронеж, 1995. 48 с.

5. Безднина С.Я. Качество воды для орошения, принципы и методы оценки. М.: Рома, 1997. 186 с.

6. Смольянинов В.М. Водозаборы с искусственным пополнением подземных вод для орошения земель. Воронеж: ВГАУ, 2001. 153 с.

7. Концепция федеральной целевой программы «Развитие мелиорации сельскохозяйственных земель России на период до 2020 года». М., 2010. 53 с.

Поступила в редакцию 14 сентября 2012 г.

Smolyaninov V.M., Shmykov V.I., Matveyeva L.I. IRRIGATION AS FACTOR OF STEADY DEVELOPMENT OF AGRICULTURAL PRODUCTION OF VORONEZH REGION

The problem of food safety in our country can be solved by a steady development of agricultural production, which is possible with the effective use of agricultural lands and minimal dependence of their efficiency on the climate change. This can be solved by means of irrigation. Southern districts in the Voronezh area need irrigation most of all. It is difficult to construct ponds due to high permeability of the land forming rocks. In the south of this area, fundamentally new water supply intake schemes artificial recharge winter IPPVo may be used. They are systems of artificial ground water supply which employ natural permeability of rock formations. These are especially useful in the areas with in sufficient hydration, where melioration is needed. They differ in the filtration speed of water from underground reservoirs. The systems of underground water artificial supply are recommended to the areas where there exist favorable conditions for the creation.

Key words: coefficient of natural moisture; irrigation of lands; anthropogenous influence; groundwater resources; artificial recharge of groundwater; infiltration dome; filter water; water wells; regulation of river flow; water permeability.