СПОСОБ МЕЛИОРАЦИИ И ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВЫ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR MELIORATION AND ENHANCEMENT OF SOIL FERTILITY AND SYSTEM FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в орошаемом земледелии.
Известна система передвижного циклического орошения (1. Альтернативная система орошаемого земледелия (циклическое орошение) ФГНУ «РосНИИПМ). - Новочеркасск: ООО «Геликон», 2007. - 27 с.2. Щедрин В.Н., Бредихин Н.П. Способ мелиорации черноземов. А.с. СССР №1217309, МКИ A01G 25/00, 1986).
По предлагаемой технологии циклического орошения, с целью восстановления плодородия орошаемых земель, каждое поле восьмипольного севооборота будет под орошением только 4 года, то есть 50% продолжительности ротации, а четыре года восстанавливает утраченные свойства (с.20).
Для осуществления циклического орошения рекомендуется применять переносные комплекты дождевального оборудования, полустационарные и мобильные системы капельного орошения, дискретный способ полива с прерывистой подачей воды во временные борозды, мобильные и полустационарные системы аэрозольного увлажнения для освежающих поливов участков, находящихся в режимах богары, в период воздушной засухи и суховеев.
По мнению авторов в богарном цикле для воспроизведения плодородия почв следует возделывать многолетние травы, в частности люцерну (с.14). Одновременно ими указывается, что важную роль в поддержании жизнеспособности почв играет влажность и порозность, т.е. воздушный режим почвы. Оптимальная экологическая гармония в почвах - это когда вода и воздух содержатся в равных по объему количествах, что соответствует влажности почвы по уровню 60% HB. Экологический оптимум влажности почвы для нормального роста развития трав составляет 65-80% HB, т.е. для их выращивания в засушливой зоне требуется большая влажность почвы (с.4-5).
Недостатками способа являются:
- орошение почвы на богаре без увлажнения или только аэрозольным увлажнением в период засухи и суховеев может привести к снижению влажности в активном слое почвы на богаре до уровня меньше чем 60% НВ, ухудшению биологических и химических процессов, повышающих плодородие почвы;
- в системе не применяется управление процессом орошения по командам датчиков влажности почвы, что не позволяет поддерживать влажность почвы на нижнем оптимальном уровне и приводит к переувлажнению орошаемых почв, либо высушиванию почв богары, и снижению эффективности применения разработанной технологии.
Известны технологии земледелия с минимальной, «нулевой» обработкой почвы, с мульчированием поверхности почвы соломой (Урванцев Г.С. Встречи на Пензенской земле. - МиВХ. - 2008. - №4. - С.2-5).
В статье указываются недостатки земледелия со вспашкой почвы:
- при вспашке почвы капилляры отсекаются подплужной подушкой и пахотный слой лишается подпитки грунтовыми водами;
- вспаханная почва, лишенная растительного покрова, нагревается до 50°C и более, что угнетает жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, а закрытая зеленым «одеялом» нагревается в среднем до 20°C.
При мульчировании почвы растительными остатками, вследствие хорошей аэрации почвы, микробы разлагают их за один год. Солома, укрывающая землю, защищает землю от суховеев и уменьшает испарение влаги из почвы.
Дождевые черви, вносимые на поля, создают в грунте множество микродренажных ходов, по которым в почву поступает воздух и оставляет свою влагу на стенках ходов, где развиваются микроорганизмы. Дождевые черви являются природными пахарями почвы.
Применение технологий земледелия с минимальной, «нулевой» обработкой почвы и мульчированием почвы соломой позволило поднять урожайность пшеницы с 2 т/га до 5 т/га.
В древнем Междуречье, где применялось орошение, урожаи пшеницы при применении таких технологий достигали 25 т/га.
Недостатком применяемых технологий с минимальной, «нулевой» обработкой почвы и мульчированием почвы соломой является не использование для поднятия урожайности сельхозкультур орошения или применение для орошения только дождевания.
Известен емкостной датчик влажности почвы, изготовленный из двух скрученных изолированных проводов (Оптимизация водного и азотного режима почвы. / Под редакцией И.И.Судницына. - М.: Изд-во МГУ, 1988. - С.23-25). Недостатком датчика является влияние на его показания, кроме влажности почвы, минерального состава почвы.
Известны способ мелиорации и устройство управления поливом (заявка 2007138296/12), включающие комбинированный полив по бороздам и дождевание участков с широкими стационарными грядками, имеющими узкие траншеи, проложенные вдоль их середины и заполненные растительными остатками и навозом. Полив нормой на увлажнение всего активного слоя почвы проводится по бороздам, который чередуется с поливами на увлажнение верхнего горизонта активного слоя почвы дождеванием и поливом освежительными нормами, осуществляемыми мелкодисперсным дождеванием.
Система управления поливом содержит блок управления, соединенный с датчиками влажности, установленными в верхнем и нижнем горизонтах активного слоя почв. Датчик влажности выполнен в виде пористой трубы, уложенной горизонтально в активном слое почвы, в центре которой натянут волос. Блок управления соединен с преобразователем изменения длины волоса в электрический сигнал, выход которого соединен с блоком управления.
Недостатком способа является отсутствие в системе мелиорации участков, где осуществляется интенсивное восстановление плодородия почвы поддержанием оптимальной влажности, близкой к 60% HB. Датчики влажности почвы содержат волос, который через некоторое время изменяет свои параметры и его надо менять, что уменьшает срок службы и надежность датчиков.
Техническим результатом заявленного изобретения является сохранение и повышение плодородия орошаемых земель.
Заявленный технический результат достигается тем, что система мелиорации и повышения плодородия почвы содержит на орошаемом массиве поливные участки с группами грядок, состоящих из трех грядок, первая из которых используется для выращивания основных сельскохозяйственных культур, вторая - для выращивания многолетних трав, бобовых растений или засухоустойчивых растений, третья - накрывается мульчей из растительных остатков. Вдоль середины всех грядок проложены узкие траншеи, заполненные растительными остатками и навозом и накрытые мульчей из растительных остатков или тонким слоем почвы. Водозаборное сооружение из источника орошения соединено через управляемый затвор с электроприводом с входом низконапорного насоса и через затвор с электроприводом с входом высоконапорного насоса. Выходы насосов соединены с магистральным трубопроводом, выход которого соединен с транспортирующим трубопроводом. Транспортирующий трубопровод соединен через управляемые клапаны с поливными трубопроводами с мелкодисперсными дождевальными установками и через управляемые клапаны с водовыпусками в пары поливных борозд, проложенных по краям грядок.
Под поливными бороздами проложены экраны в виде лотка, выполненного из мелиоративной полиэтиленовой пленки. Под активным слоем почвы расположен экран из мелиоративной пленки. На орошаемом массиве создана также комбинированная дренажная система с горизонтальными дренами и вертикальными скважинами, имеющими выше нижней границы активного слоя почвы поры или отверстия и содержащими фильтры воды, не пропускающие соли. Горизонтальные дрены на выходе содержат затворы, позволяющие управлять уровнем грунтовых вод.
На контрольных грядках в приповерхностном слое почвы и посередине активного слоя почвы установлены соответственно датчики влажности приповерхностного слоя почвы и датчик влажности среднего горизонта активного слоя почвы. Датчики влажности выполнены в виде пористой трубы, внутри которой установлены две параллельные металлические пластины, образующие конденсатор, и датчик температуры паров воды, например терморезистор. Металлические пластины и датчик температуры парообразной влаги датчика влажности соединены проводниками с блоком контроля влажности почвы, соединенным с пультом управления оросительной системы.
При уменьшении влажности в приповерхностном слое почвы первых грядок до нижнего порога оптимальной влажности полив грядок поливного участка проводится мелкодисперсным дождеванием нормой полива на увлажнение приповерхностного слоя почвы до влажности, меньшей наименьшей влагоемкости, не разрушающей структуру почвы, или при воздушной засухе освежительной нормой, полив по бороздам грядок, используемых для выращивания основных сельскохозяйственных культур, проводится при уменьшении влажности почвы в активном слое почвы этих грядок до нижнего уровня оптимальной влажности нормой полива на увлажнение всего активного слоя до влажности, меньшей наименьшей влагоемкости, неразрушающей структуру почвы, причем подача воды в борозды осуществляется импульсами с эрозийно допустимым расходом поливных струй и длительностью импульсов, обеспечивающей добегание поливных струй до конца поливных борозд, с циклической подачей воды в поливные борозды всех первых грядок, входящих в состав групп грядок поливного участка, причем количество групп грядок на поливном участке выбирается таким, чтобы период между подачей этих импульсов полива, равный времени выдачи импульсов полива в поливные борозды остальных первых грядок, обеспечивал постепенное впитывание воды в почву без разрушения ее структуры и ухудшения качества импульсного полива, кроме того, увлажнение вторых и третьих грядок осуществляется внутрипочвенным способом поливной водой, поступившей в нижний горизонт активного слоя почвы при поливе по бороздам первых грядок.
На фиг.1 приведена фрагмент схемы мелиоративной системы участка; на фиг.2 - разрез почвы с мелиоративной системой; на фиг.3 - схема датчика интегральной влажности почвы.
Система мелиорации и повышения плодородия почвы содержит на орошаемом массиве поливные участки с группами грядок, состоящих из трех грядок, первая 1 из которых используется для выращивания основных сельскохозяйственных культур 2, вторая 3 - для выращивания многолетних трав 4, например люцерны, бобовых растений или засухоустойчивых растений, третья 5 - накрывается мульчей из растительных остатков 6. Вдоль середины грядок проложены узкие траншеи 7, заполненные растительными остатками и навозом 8 и накрытые мульчей 9 из растительных остатков или тонким слоем почвы. Водозаборное сооружение 10 из источника орошения 11 соединено через управляемый затвор с электроприводом 12 с входом низконапорного насоса 13 и через затвор с электроприводом 14 с входом высоконапорного насоса 15. Приводы затворов 12 и 14 и насосов 13 и 15 соединены с пультом управления оросительной системой 16 (ПУОС). Выходы насосов 13 и 15 соединены с магистральным трубопроводом 17, выход которого соединен с транспортирующим трубопроводом 18. Транспортирующий трубопровод 18 соединен через управляемые клапаны 19 с поливными трубопроводами 20 с мелкодисперсными дождевальными установками 21 и через управляемые клапаны 22 с водовыпусками 23 в пары поливных борозд 24, проложенных по краям грядок.
ПУОС 16 через линию связи 25 соединен с коммутаторами 26 управляемых клапанов 19, а через линию связи 27 с коммутаторами 28 управляемых клапанов 22. Под поливными бороздами 24 проложены экраны 29 в виде лотка, выполненного из мелиоративной полиэтиленовой пленки. Под активным слоем почвы расположен экран 30 из мелиоративной пленки. На орошаемом массиве создана также комбинированная дренажная система с горизонтальными дренами 31 и вертикальными скважинами 32, имеющими выше нижней границы активного слоя почвы поры или отверстия и содержащими фильтры воды 33, не пропускающие соли. Горизонтальные дрены на выходе содержат затворы 34, позволяющие управлять уровнем грунтовых вод.
На контрольных грядках 1, 3 и 5 в приповерхностном слое почвы и посередине активного слоя почвы установлены соответственно датчики влажности 35 приповерхностного слоя почвы и датчик влажности 36 среднего горизонта активного слоя почвы. Датчики влажности выполнены в виде пористой трубы 37, внутри которой установлены две параллельные металлические пластины 38, образующие конденсатор, и датчик температуры 39 паров воды, например терморезистор. Металлические пластины 38 и датчик температуры 39 парообразной влаги соединены проводниками с блоком контроля 40 влажности почвы, соединенным с ПУОС 16.
ПУОС 16 содержит контроллер, электронные схемы управления приводами затворов 12 и 14, блок управления включением и выключением низконапорного насоса 13 и высоконапорного насоса 15, электронные ключи для подачи управляющих сигналов в линии связи 25 и 27.
Блок контроля влажности почвы 40 содержит источник питания, контроллер, измеритель емкости, электронные ключи для подключения к датчикам температуры 39 увлажненного воздуха и конденсатору 38 датчика влажности.
Система мелиорации и повышения плодородия почвы работает следующим образом.
Перед началом эксплуатации орошаемого массива производится съемка метрового слоя почвы, создается дренажная система. Затем на грунт укладывается мелиоративная пленка 30 и снятая почва с внесенными органическими удобрениями возвращается на место. На поверхности почвы создаются стационарные широкие грядки 1, 3, 5 шириной 1,2…1,8 м, посередине которых прокладываются узкие траншеи 7, заполняемые навозом и растительными остатками 8, куда вносятся дождевые или калифорнийские черви. По краям грядок, где будут пролегать поливные борозды 24, прокладывают неглубокие траншеи, в которых устанавливаются экраны из мелиоративной пленки 29, выполненные в виде лотка. Затем формируются поливные борозды 24. Расстояние между поливными бороздами 24 равно расстоянию между колесами сельскохозяйственной техники. При проведении сельскохозяйственных работ колеса сельскохозяйственной техники будут перемещаться только по поливным бороздам 24, уплотняя их, но не уплотняя активный слой почвы.
Орошаемый массив разбивается на группы поливных участков, внутри которых создаются группы из трех грядок. На первых грядках 1 выращивается основная сельскохозяйственная культура 2, на вторых 3 соседних с ними грядках выращиваются травы (бобовые культуры) 4, например люцерна, далее на третьих грядках 5 поверхность грядок мульчируется растительными остатками 6. В траншеи 7 вносят дождевых червей и мульчируют сверху растительными остатками и тонким слоем почвы, а во время вегетационного периода мульчируют прополотыми сорняками.
В поливной период оператор включает в работу ПУОС 16, который подает команду блоку 40 контроля влажности почвы на контрольных грядках 1, 3 и 5 по сигналам датчиков влажности почвы 35 и 36. При уменьшении влажности почвы в активном слое почвы до нижнего порога оптимальной влажности блок контроля влажности почвы 40 дает команду пульту управления 16 на полив грядок 1, нормой на увлажнение активного слоя почвы, до влажности меньшей НВ, которая не разрушает структуру почвы.
ПУОС 16 открывает затвор 12, включает низконапорный насос 13 и подает напряжение в линию связи 27 и коммутаторы 28. Коммутаторы 28 на грядках 5 перед поливом отсоединяются от линии связи 27. На поливных участках коммутатор 28 на первой группе поливных грядок открывает клапан 22, и вода из водовыпуска 23 подается в пару поливных борозд 24, прилегающих к первой грядке 1. После выдачи импульса полива, эрозийно допустимым расходом поливных струй, и длительностью, обеспечивающий добегание поливных струй до конца поливных борозд, пульт управления 16 снимает подачу напряжения в линию связи 27 и затем снова подает его. При этом первый коммутатор 28 выключает управляемый им клапан 22, подача воды в пару поливных борозд 24, прилегающих к первой грядке 1, прекращается, а второй коммутатор 28 на второй группе грядок открывает управляемый им клапан 22, и вода подается в пару поливных борозд 24, прилегающих к первой грядке 1. Аналогичным образом поливаются первые грядки на всех остальных группах грядок, затем циклы импульсного полива этих грядок продолжаются до выдачи поливной нормы. Затем ПУОС 16 выключает низконапорный насос 13 и закрывает затвор 12.
Количество групп грядок на поливном участке выбирается таким образом, чтобы можно было максимально рассредоточить выдачу поливной нормы без значительного ухудшения качества импульсного полива. При таком способе вода постепенно поступает в почву грядок без разрушения ее структуры. При этом вторые грядки 3 тоже увлажняются, но до уровня, меньшего, чем на первых грядках, что позволяет поддерживать на них уровень влажности, близкий к уровню влажности, благоприятной для восстановления плодородия почвы.
При уменьшении влажности в приповерхностном слое почвы грядок 1 или 5 до нижнего порога оптимальной влажности ПУОС 16 открывает затвор 14 и включает высоконапорный насос 16. Пульт управления, аналогично вышеописанному процессу переключения коммутаторов 28, производит переключение коммутаторов 26, которые переключают поливные трубопроводы 20 с мелкодисперсными дождевальными установками 21 для выдачи нормы полива на увлажнение приповерхностного слоя почвы до влажности, меньшей НВ, не разрушающей структуру почвы, а при воздушной засухе - для выдачи освежительной нормы полива.
Если все первые грядки 1 достаточно увлажнены и есть резервы времени и воды на орошение, третьи грядки 5 также могут быть политы по бороздам нормой полива, не разрушающей структуру почвы.
Поливная вода, профильтровавшаяся при поливе грядок 1 в нижний горизонт активного слоя, не теряется на глубинную фильтрацию в нижележащие слои почвогрунта, так как этому препятствует мелиоративная пленка 30. Эта вода перемещается по нижнему горизонту активного слоя почвы, поступает в нижний горизонт активного (корнеобитаемого) слоя почвы вторых грядок 3 и нижний горизонт активного слоя почвы третьих грядок 5, затем по капиллярам постепенно поднимается вверх. При этом обеспечивается увлажнение грядок 3 и 5 до уровня влажности, меньшего чем, оптимальная влажность для роста растений, но благоприятной для восстановления структуры и плодородия почвы. Таким образом, в системе реализуются преимущества подпочвенного полива, позволяющего увлажнять почвы без разрушения структуры почвы, но при этом нет потерь воды на глубинную фильтрацию, как при обычном подпочвенном поливе.
При повторном срабатывании датчика 36 полив активного слоя почвы полив подпочвенным увлажнением может быть осуществлен грунтовыми водами. При этом прикрывается затвор 34, и уровень грунтовых вод поднимается, грунтовая вода, проходя через фильтры воды 33, не попускающие соли скважин 32, через ее пористые стенки, на которых также могут быть установлены фильтры воды, поступает в нижний горизонт активного слоя почвы.
Порядок расположения номеров грядок в последующие годы меняется. Например, меняются местами первые и третьи грядки, затем через несколько лет для выращивания сельскохозяйственных культур начинается использование третьих грядок.
При промывке почвы уровень грунтовых вод понижают, фильтры снимают и производят полив по бороздам нормами для промывки почвы.
Колебания влажности почвы возле оптимального для повышения плодородия почвы уровня также благоприятно сказываются на восстановлении структуры почвы. В то же время вторые и третьи грядки являются резервными, которые могут поливаться при резерве времени на орошение и избытке поливной воды, что позволяет стабилизировать подачу воды в оросительную систему и повысить эффективность использования оросительной системы. Поддержание влажности почвы, оптимальной для восстановления структуры почвы на вторых и третьих грядках, также способствует активизации биологических процессов, повышающих плодородие почвы, что трудно реализовать в условиях богары и на неполивных участках.
Способ и система мелиорации позволяют свести к минимуму или полностью устранить непроизводительные потери воды на глубинную фильтрацию, максимально использовать имеющиеся водные ресурсы.
Циклический полив по бороздам групп грядок позволяет максимально рассредоточить выдачу поливной нормы и обеспечить поступление воды в почву грядок без разрушения ее структуры.
Создание полос, свободных от растений, улучшает освещенность выращиваемых культур и их проветривание, что снижает заболеваемость растений и повышает урожайность сельскохозяйственных культур.
Размещение экранов в виде лотков из мелиоративной пленки препятствует глубинной фильтрации поливной воды, улучшает ее распространение вдоль горизонтали, что позволяет увеличить расстояние между поливными бороздами и повысить равномерность увлажнения почвы по периметру грядок и создает под бороздами области, из которых влага поступает постепенно в почву грядок после прекращения полива.
Чередование поливов по бороздам и мелкодисперсного дождевания, мульчирование почвы позволяет поддерживать оптимальную влажность в приповерхностном слое почвы, где наиболее интенсивно протекают биологические и физико-химические процессы повышения плодородие почвы.
Создание под активным слоем почвы экранов из мелиоративной пленки может предотвратить попадание в активный слой почвы соленых грунтовых вод. Это позволяет успешно выращивать сельскохозяйственные культуры на землях с близким залеганием к поверхности уровня грунтовых вод. В то же время наличие вышеописанной дренажной системы позволяет внутрипочвенным способом производить увлажнение почвы обессоленной водой.
Минимизация поступления воды на поливной участок позволяет минимизировать потери поливной воды на глубинную фильтрацию или полностью устранить их, что позволяет ввести к минимуму мощность дренажных систем.
Расположение пластин емкостного датчика внутри пористой трубы позволяет исключить влияние параметров (например, содержание солей в почве) на определение влажности почвы емкостным датчиком влажности, а установка в датчике влажности почвы датчика температуры парообразной влаги позволяет блоку контроля влажности осуществлять коррекцию показаний датчика влажности почвы при изменении температуры почвы.