Кафедра мелиорации и рекультивации земель

____________________________________________________________

 

 

А.И. Голованов, Р.А. Сорокин

Статистические методы в управлении

качеством окружающей среды

(конспект лекций и макет записки к курсовой работе)

 

Учебное пособие для курсового  и дипломного проектирования

(специальность «Управление качеством окружающей среды»)

 

 

 

 

Рекомендовано Методической комиссией

Эколого-мелиоративного факультета

 

 

 

 

Москва 2007

 

 

 

Курс лекций

«Статистические методы в управлении

качеством окружающей среды»

 

 

1. Виды статистики

Термин статистика  произошел от латинского status – государство. Под статистикой понимают:

1) Вид общественной деятельности, направленной на получение, обработку и анализ информации, характеризующей количественные закономерности жизни общества во всём её многообразии (технико-экономические, социально-экономические, социально-политические явления, культура) в неразрывной связи с её качественным содержанием.  В этом смысле понятие «статистика» совпадает с понятием статистического учёта, который является ведущим видом народно-хозяйственного учёта. Определяющее значение статистики вытекает из того, что вся информация, имеющая народно-хозяйственную значимость и собираемая путём бухгалтерского или оперативного учёта, в конечном счёте, обрабатывается и анализируется с помощью статистики. Исходные методологические принципы для построения основных показателей во всех видах учёта являются едиными.

2) Отрасль общественных наук (и соответствующие ей учебные дисциплины), в которой излагаются общие вопросы измерения и анализа массовых количественных отношений и взаимосвязей.

3) В более узком смысле слова статистика рассматривается как совокупность данных о каких-либо явлениях, процессах или свойствах (например, когда говорят о статистике выборов или полевых изысканий (измерений) свойств природных тел). В естественных науках понятие «статистика» означает анализ массовых явлений, основанный на применении методов теории вероятностей: например, статистическая физика, статистическая гидрология.

2. Статистика качества продукции

Различают статистики: экономическую, военную, демографическую, сельскохозяйственную и прочие. В их числе особое место занимает статистика качества, – отрасль экономической статистики, изучающая достигнутый уровень качества продукции и его изменение, анализирующая определяющие его факторы и выявляющая резервы его повышения до экономически оптимального. Для этого статистика качества продукции разрабатывает систему показателей, количественно характеризующих уровень и динамику качества отдельных видов продукции, а также сводных показателей уровня и динамики качества продукции, как отдельных предприятий, так и отраслей народного хозяйства.

Показатели уровня качества данного вида продукции могут опираться на характеристики, определяемые в процессе его производства, – производственное качество, а также и на показатели, определяемые при его использовании, – потребительское качество. Уровень производственного качества определяется соответствием технических характеристик (параметров) изделий стандартам и другим документам, в которых зафиксирован установленный минимум требований к этим параметрам. Поскольку типичной при контроле производственного качества является проверка одновременно по многим параметрам, возникает задача сводной количественной оценки уровня качества. В таких случаях на практике нередко прибегают к оценке качества по установленной шкале баллов. Разновидностью последней можно считать широко применяемое деление продукции по сортам. В этом случае обобщающей характеристикой уровня качества однородных по назначению изделий может служить средняя их сортность или средняя цена (если цены дифференцированы по сортам).

Обобщающим показателем динамики качества разнородной продукции, разделяемой на сорта, служит индекс сортности, необходимые данные для исчисления которого содержатся в статистической отчётности предприятий о сортности промышленной продукции.

Уровень потребительского качества определяется элементарно, если все или большинство потребителей заинтересованы в каком-либо одном параметре качества. Так, уровень качества добываемой руды можно характеризовать содержанием в ней металла, уровень качества машин и приборов - их надёжностью, долговечностью и другими показателями. Данные об уровнях качества многих видов изделий и сырья для их изготовления содержатся в технико-производственной отчётности предприятий ряда отраслей добывающей и обрабатывающей промышленности. Значительно сложнее решается вопрос, если потребителей одной и той же продукции интересуют различные параметры качества или они предъявляют требования к нескольким независимым друг от друга параметрам. Методология получения сводной оценки уровня качества таких видов продукции находится в стадии теоретических разработок, имеющих дискуссионный характер. В. А. Трапезников для вычисления сводного показателя динамики качества изделий по нескольким параметрам предложил "коэффициент качества", вычисляемый как произведение относительных величин изменения каждого контролируемого параметра.

Если тем или иным путём установлены уровни качества данного вида продукции в двух сравниваемых периодах (K1 и К2), то показатель динамики качества этого вида продукции определяется как iк = К1//К2. Располагая данными о стоимости продукции каждого вида, фактически произведённой в отчётном периоде Q1 и Q2, можно вычислить сводный индекс качества разнородной продукции по формуле Iк = iкQ1/Q2.

В некоторых отраслях промышленности накоплен положительный опыт применения методов математической статистики для определения уровня потребительского качества изделий по контролируемым изготовителем параметрам. Возникает возможность не только прогнозировать уровень потребительского качества в момент выпуска изделий из производства, но и совершенствовать требования, фиксируемые в стандартах, целенаправленно регулировать уровень качества с учётом полученных регрессионным анализом зависимостей между параметрами производственного и уровнем потребительского качества. Методы математической статистики, в частности выборочный метод, находят также широкое применение при так называемом статистическом предупредительном контроле качества изделий в процессе их производства. Это ускоряет и удешевляет контроль качества и обеспечивает предупреждение возникновения брака в производстве.

Очень важная, хотя ещё не решённая до конца, задача статистики качества продукции – определение величины экономии или потерь в экономике в связи с изменениями уровня качества продукции. Это требует учёта совокупного экономического эффекта, учёта дополнительных затрат изготовителя продукции и экономии у потребителей в результате эксплуатации изделий более высокого качества.

3. Математическая статистика. Необходимость и случайность

Предметом изучения математической статистики являются случайные величины (числа) одинакового происхождения (генезиса), но изменяющиеся в некотором диапазоне значений вследствие воздействия на них суммы случайных внешних воздействий [8].

Философия объясняет отличия таких общих категорий, как «необходимость» и «случайность». Эти философские категории отражают типы связей, которые определяются существенными или привходящими малозначимыми факторами.

Необходимость - вещь, явление в их всеобщей закономерной связи; отражение преимущественно внутренних, устойчивых, повторяющихся, всеобщих отношений действительности, основных направлений её развития; выражение такой ступени движения познания в глубь объекта, когда вскрываются его сущность, закон; способ превращения возможности в действительность, при котором в определенном объекте при данных условиях имеется только одна возможность, превращающаяся в действительность.

Случайность - отражение в основном внешних, несущественных, неустойчивых, единичных связей действительности; выражение начального пункта познания объекта; результат перекрещивания независимых причинных процессов, событий; форма проявления необходимости.

Необходимость часто "образуется" из массы случайностей, прокладывая себе дорогу через них, и имеет своё основание в существовании связей вещей, закономерно подготовлена предшествующим ходом развития. Необходимые явления при наличии соответствующих условий развиваются в определенном порядке, происходят именно так, а не по-другому. Случайность же в основном вытекает из внешнего для данного явления основания, в силу чего она может совершиться так или как-то по-другому.

Необходимость может быть внутренней, вызванная к жизни природой самих явлений и процессов объективного мира; и внешней, порождаемой привходящими обстоятельствами; она также может быть более общего, фундаментального порядка, действие которой распространяется на сравнительно широкий круг явлений действительности; и менее общего порядка, действие которой охватывает сравнительно узкий круг явлений.

Случайность также подразделяется на внутреннюю, органически связанную с данной необходимостью и внешнюю, выступающая как нечто постороннее по отношению к данной необходимости и вызываемую преимущественно побочными факторами.

Hеобходимость и случайность имеют важное значение в научном познании. Движение познания от явления к сущности соответствует аналогичному движению от наблюдения, изучения случайного к познанию необходимого, кото-рое скрывается за случайным так же, как сущность за явлением. Одна из важнейших задач науки - предвидение хода различных событий, основой которого является познание как необходимых, так и случайных процессов.

Пример проявления необходимости в почвообразовании: под пологом хвойного леса в условиях промывного водного режима в умеренном тепловом поясе всегда формируются типичные для таких местностей подзолистые почвы.

Случайные факторы почвообразования, такие как особенность микрорельефа, уклона, направления течения вод поверхностного стока, изменения в составе растительного покрова, микроклимат, варьирующие свойства почвообразовательных пород приводят к изменчивости степени оподзоливания, кислотности, гранулометрического состава твердой фазы, водопроницаемости и влагоемкости, содержания гумуса и пр. Поэтому неслучайный тип почв образует почвы со случайно изменяющимися свойствами.

Средние наиболее вероятные величины этих свойств являются устойчивыми, характерными для данного типа почв, но они подвержены изменчивости порой в большом диапазоне. Естественно, что эти свойства подлежат изучению, т.е. измерению и учету при расчете мелиоративных воздействий.

Если каждому исходу E испытания Т поставлено в соответствие число X, то говорят, что задана случайная величина X. Среди чисел x1,  x2, x3, ... ..., хs могут быть и равные.

Совокупность различных значений хi при i = 1,2, ..., s называют совокупностью возможных значений случайной величины. Набор возможных значений случайной величины и соответствующих им вероятностей называется распределением вероятностей случайной величины.

При одновременном изучении нескольких случайных величин вводится понятие их совместного распределения, которое задаётся указанием возможных значений каждой из них и вероятностей совмещения событий

Часто вместо полного задания распределения вероятностей случайной величины предпочитают пользоваться небольшим количеством числовых характеристик. Из них наиболее употребительны математическое ожидание или среднеарифметическое М(Х) и дисперсия  [8]:

                                          M(X)=;   ;                                     (1)

Квадратный корень из дисперсии называют среднеквадратичным отклонением СКО. Для коротких рядов случайных чисел используют его несмещенную оценку:

                                          СКО=;                                                   (2)

где n - -число случайных величин.

Изменчивость случайной величины принято также характеризовать коэффициентом вариации, т.е. отношением СКО к математическому ожиданию:

                                                  ;                                                               (3)

Для характеристики вида кривой распределения используют коэффициент асимметрии Сs,

                                      ,                                                 (4)

который характеризует форму распределения случайной величины xi относительно среднеарифметического значения и является безразмерной величиной. Ряд является симметричным, если положительные и отрицательные отклонения членов ряда от среднеарифметического (xiM(x)) повторяются одинаково часто, т.е. симметрично группируются относительно центра распределения.

Большинство почвенных, гидрогеологических и гидрологических характеристик имеют положительную асимметрию (Cs>0), т.е. ряды наблюдений включают сравнительно немногочисленные большие положительные отклонения и многочисленные, но менее значительные по величине отрицательные отклонения от среднеарифметического.

Коэффициент автокорреляции R характеризует статистическую связь между смежными значениями ряда наблюдений xi и xi+1. Его вычисляют по формуле:

                                                          (5)

где                                    ;      .                                

Численные значения статистических характеристик (параметров) конкретного ряда наблюдений, получаемые по формулам (1)…(5) всегда содержат случайные ошибки, связанные с ограниченностью числа членов n. В пределе (при  ) статистические параметры как угодно близко приближаются к своим «истинным» значениям, характеризующим свойства распределения генеральной совокупности. На практике же всегда оперируют с приближенными, по существу, случайными статистическими характеристиками ряда наблюдений.

         Случайные ошибки  статистических  характеристик ряда зависят от числа членов этого ряда n. Так среднеквадратичная ошибка среднеарифметического при слабой автокорреляции (R мало) равно:

                                     ;                                                            (6)

Так, при коэффициенте вариации коэффициента фильтрации мелкозернистого песка равном  Сv=0,5 (табл. 6) для получения его среднеарифметического значения с точностью 10 %  надо выполнить  25 измерений, а для тяжелых суглинков (см. табл. 6) при Сv=1 – 100 измерений.

Ошибка коэффициента вариации существенно больше ошибки среднего:

                                                                                  (7)

Так при Сv=0,5 для получения его точности 10 % надо выполнить 60 измерений.

Ошибка коэффициента асимметрии равна:

                                                                                       (8)

а ошибка коэффициента автокорреляции:

                                    .                                                                  (9)

В математической статистике оперируют также понятием «случайный процесс»  (вероятностный, или стохастический), т. е. изменение во времени состояния некоторой системы), течение которого может быть различным в зависимости от случая и для которого определена вероятность того или иного его течения. Типичным примером случайного процесса может служить броуновское движение, турбулентные течения жидкостей и газов, протекание тока в электрической цепи при наличии неупорядоченных флуктуации напряжения и силы тока (шумов) и распространение радиоволн при наличии случайных замираний радиосигналов, создаваемых метеорологическими или иными помехами. К числу случайных могут быть причислены и многие производственные процессы, сопровождающиеся случайными флуктуациями, например, при обработке деталей на металлорежущих станках, а также ряд процессов, встречающихся в геофизике (например, вариации земного магнитного поля), геологии, почвоведении, гидрологии, физиологии (например, изменение биоэлектрических потенциалов мозга, регистрируемое на электроэнцефалограмме), экономике.

Вероятность и обеспеченность характеризуют возможность появления (реализации) случайной величины  Вероятность – это отношение появления конкретного события ко всем событиям. Например, плотность почвы может быть в пределах 1,4…1,5 г/см3, но вероятность величины 1,437 г/см3 очень мала, вероятны и другие близкие к ней величины. Поэтому для практики удобней оперировать понятием обеспеченности, т.е. вероятности превышения.

В теории вероятностей рассматриваются несколько видов распределения: симметричное нормальное распределение или распределение Гаусса, логарифмически нормальное, как частный случай нормального, т.е. когда логарифм случайной величины распределен по нормальному закону. Случайные величины распределены по нормальному закону, если в основе их образования лежит большая сумма или разность случайных воздействий. Если же случайная величина образуется умножением или делением (дроблением), то вероятность появления характерного размера (диаметра) подчиняется логарифмически нормальному закону с ярко выраженной правой асимметрией, т.е. с небольшой вероятностью возможно проявление больших значений случайных величин. Вероятность малых значений группируется вблизи малых вероятностей. Эти закономерности свойственны случайным величинам диаметров частиц грунта, образованным при физическом выветривании коренных пород или дроблении, а также величинам коэффициентов фильтрации, являющимися функцией диаметров частиц, а, следовательно, и пор. Примеры симметричного нормального закона и асимметричного логарифмически нормального приведены на рис. 1. 

Нормальный закон описывается закономерностями: для вероятности попадания случайной величины в диапазон х1…х2 :

                  ,                                    (10)

где a – математическое ожидание случайной величины х; σ2 – ее дисперсия (см. формулы (1) и (2)). Преобразованием  распределение (10) можно свести к стандартному с а=0 и σ=1. Тогда вероятность

                                                                             (11)

Имеются таблицы функции нормального распределения. Для вычисления случайной величины заданной вероятности используется формула (12) и таблица 1:

                                                                              (12)

Табл. 1.

Вероятность превышения P     Функция Ф(х)

                  0,50                                  0,000

                  0,60                                  0,253

                  0,70                                  0,524

0,80                                  0,842

0,85                                  1,036

0,90                                  1,282

0,95                                  1,645

0,99                                  2,326

0,999                                3,090

         Из этой таблицы следует, что при нормальном законе распределения практически все величины (999 из 1000) находятся в интервале вероятностей ±3σ – так называемое правило «3-х сигм».

Рис. 1. Нормальное и логарифмически нормальное распределение вероятностей случайной величины

График нормального распределения симметричен, в нем мода Mo (число с наибольшей вероятностью), медиана Me (число с обеспеченностью 50%) и математическое ожидание M (т.е. среднее арифметическое случайного числа) совпадают.

Плотность логарифмически нормального распределения имеет вид

                             при                        (13)

где a – математическое ожидание Ln(x)»; σ2 – дисперсия Ln(x). График этого распределения не симметричен, имеет место соотношение Mo(x)<Me(x)<M(x), находятся по формулам:

                                               ;                                                     (14)

                         M(x)=Me(x)Exp(0,5σ2);     или                    (15)

                                            Mo(x)=Me(x)Exp(-σ2),                                                    (16)

 а среднеквадратичное отклонение случайной величины σx составит

                                         .                                                  (17)

Здесь Cv(x) – коэффициент вариации Ln(x).

При логарифмически нормальном законе распределения случайная величина p- той обеспеченности находится по формуле

                             .                                  (18)

Величина Ф(х) берется из табл. 1 в зависимости от значения обеспеченности p.

Математическая статистика позволяет оценить принадлежность двух выборок к одной генеральной совокупности или проверить так называемую «нуль»-гипотезу. Эта задача возникает при оценке возможности объединения данных полевых изысканий в один массив при расчете параметров сооружений природообустройства (поливов, дренажа, промывок)[10]. Поясним это на примере возможности объединения двух контуров путем сравнения величин коэффициентов фильтрации. В табл. 2 приведены результаты измерений коэффициентов фильтрации на территории контура №1 – 20 измерений и контура №2 – 18 измерений

         Проверка начинается с доказательства равенства дисперсий. Для этого вычисляют статистику критерия Фишера F [10]:

                                                         F=(σ2 /σ1)2.                                                         (19)

В числителе выражения (19) берется большее из двух среднеквадратичных отклонений (σ21). В данном случае F=1,256. По табл. 3 интерполяцией принимают критическое значение Fα при степенях свободы ν1=20–2=18 и при ν2 = 18–2=16 и  при доверительной вероятности α=0,05. Если F<Fα, то «нуль» – гипотеза принимается с вероятностью 95%. В данном случае Fα= 2,24, т.е. дисперсии у этих рядов отличаются статистически не значимо, т. е. они примерно равны.

         После проверки совпадения дисперсий оценивают «нуль» – гипотезу равенства средних величин рассматриваемых рядов или контуров. Для этого применяют t-критерий Стьюдента [10], который вычисляют по формуле:

                                      ,                                     (20)

где n1 и n2 – количество измерений на контуре №2 и на контуре №1. σ – среднеквадратичное отклонение у этих рядов. В нашем примере критерий Стьюдента равен t=0,145, а при степени свободы ν=n1+n2–2= 36 и при доверительной вероятности 0,05 он должен быть 2,028 (см. табл. 4).

Табл. 2. Результаты измерений коэффициента фильтрации

Контур №1

Контур №2

№№

измерений

Коэффициент фильтрации, м/сут

№№

измерений

Коэффициент фильтрации, м/сут

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

0,910

0,383

1,868

1,236

5,623

0,281

0,819

0,360

0,215

1,939

1,307

1,866

0,604

0,422

0,477

0,907

2,019

1,171

0,550

1,767

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

3,188

0,829

0,278

1,896

0,665

0,942

1,429

1,339

2,826

4,080

4,421

1,131

0,268

3,373

0,210

0,542

1,105

2,396

Среднее

СКО

1,718

1.346

Среднее

СКО

1,236

1,201

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Табл.3.Критические значения Fα при α=0,05 (в числителе) и α=0,01 (в знаменателе)

ν2

 

ν1

5

6

8

12

24

5

 

10

 

15

 

20

 

25

 

30

 

40

 

60

 

120

 

 

5,05

10,97

3,33

5,64

2,90

4,56

2,71

4,10

2,60

3,86

2,53

3,70

2,45

3,51

2,37

2,24

2,29

3,17

2,21

3,02

4,95

10,67

3,22

5,39

2,79

4,32

2,60

3,87

2,49

3,63

2,42

3,47

2,34

3,29

2,25

3,12

2,17

2,96

2,09

2,80

4,82

10,29

3,07

5,06

2,64

4,00

2,45

3,56

2,34

3,32

2,27

3,17

2,18

2,99

2,10

2,82

2,02

2,66

1,94

2,51

4,68

9,89

2,91

4,71

2,48

3,67

2,28

3,23

2,16

2,99

2,09

2,84

2,00

2,66

1,92

2,50

1,83

2,34

1,75

2,18

4,53

9,47

2,74

4,33

2,29

3,29

2,08

2,86

1,96

2,62

1,89

2,47

1,79

2,29

1,70

2,12

1,61

1,95

1,52

1,79

4,36

9,02

2,54

3,91

2,07

2,87

1,84

2,42

1,71

2,17

1,62

2,01

1,52

1,80

1,39

1,60

1,25

1,38

1,00

1,00

 

Табл. 4. Критические значения tα при α=0,05 и 0,01.

ν

α=0,05

α=0,01

ν

α=0,05

α=0,01

5

10

15

20

25

2,57

2,23

2,13

2,09

2,06

4,03

3,17

2,95

2,85

2,79

30

40

60

120

2,04

2,02

2,00

1,98

1,96

2,75

2,70

2,66

2,62

2,58

 

4. Качество окружающей среды

Окружающая среда – среда обитания и производственной деятельности человека. Наука, изучающая окружающую эту среду, называется экологией.

Окружающую человека среду можно представить как  состоящую из четырех неразрывно взаимосвязанных подсистем: а) собственно природной среды, б) квазиприродной, т.е. модифицированной человеком природной среды, в) искусственной или артеприродной среды и г)  социальной среды.

Собственно природная среда в данном понимании – факторы и условия существования человека чисто естественного происхождения (факторы – материальные, энергетические и информационные компоненты, обеспечивающие жизнь; условия – обстоятельства, в которых развивается жизнь), имеющие свойства самоподдержания и саморегуляции без постоянного вмешательства человека. Это не означает, что человек не изменяет природную среду.

Квазиприродная среда – пахотные или иные преобразованные (мелиорированные) человеком угодья, внедренные в природную среду культурные растения и домашние животные, грунтовые дороги, внешнее пространство населенных мест, зеленые насаждения (сады, парки, газоны, бульвары), водохранилища на реках, каналы в земляном русле и т.п. Эти элементы имеют природное происхождение, но, являясь инородными для конкретных природных объектов, не обладают системным самоподдержанием. Их долговременное существование возможно только при поддержке человеком.

         Артеприродная среда – весь искусственный мир, созданный человеком, в основном для удовлетворения своих потребностей, вещественно-энергетически не имеющий аналогов в естественно природе, чуждый ей и разрушающийся без непрерывного обновления. К ней относятся здания, сооружения, дороги с твердым покрытием, трубопроводы, бетонированные каналы, искусственные водоемы (бассейны) и т.п. Для их создания человек очень часто использует или преобразованные вещества или полностью искусственные, не имеющиеся в природе. Эти вещества с трудом входят в естественные геохимические циклы, возникает проблема с их хранением после использования. Правда, несмотря на свою искусственность, артеприродная среда подчиняются тем же объективным законам природы (тяжести, теплопроводности, электропроводности и др.).

         И квазиприродная и артеприродная среды не существуют изолированно, человек их встраивает в природные системы, образуя техноприродные или социоприродные системы. Поэтому эти новые системы не являются полностью антропогенными, природная составляющая для них является базовой, что отражено в их названии.

         Социальная среда – культурно-психологический, информационный, политический климат, создаваемый для личности, социальных групп и человечества в целом самими людьми и слагающийся из влияния людей, как социально-биологических существ, друг на друга в коллективах с помощью средств материального, энергетического и информационного воздействия.

Социальная среда интегрируется с природной, квазиприродной и артеприродной средами, формируя «качество среды жизни». Природопользование и природообустройство в нем являются незаменимой составляющей.

         Понятие окружающая среда эквивалентна греческому oikos - экос (дом, родина). Наука о взаимодействии человека (в общем понимании – живых организмов) и окружающей среды называется экологией, по-русски – это «домоведение», т.е. наука о доме,  а наука экономика – «домоводство». Так получилось, что вначале в бытовой речи, а затем и в научной литературе слово экология (наука) заменило предмет, который она изучает, т.е. экос, дом для человечества (живых организмов), природу как окружающую среду. Стали неудачно говорить: "плохая  экология" (может ли быть плохая  математика или биология?), "экологические условия" вместо качество окружающей среды и т.п.

         Молодая наука экология стала очень модной, пока еще рыхлой, слабо структурированной. Сейчас различают биоэкологию, геоэкологию, экологию человека, социальную экологию, прикладную экологию (имеющие подразделения) и многие другие. В книге Н.Ф. Реймерса «Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы)» сформулированы порядка 240 гипотез, законов, принципов, правил и афоризмов. Из всего этого множества сформулированы основные принципы природопользования и природообустройства, выполнение которых должно обеспечить заявленные выше отношения человека и природы, сделать их рациональными [6].

В научной литературе еще нет единого мнения о понятии «качество окружающей среды».

Качество – философская категория, выражающая неотделимую от бытия объекта его существенную определённость, благодаря которой он является именно этим, а не иным объектом. Качество отражает устойчивое взаимоотношение составных элементов объекта, которое характеризует его специфику, дающую возможность отличать один объект от других. Именно благодаря качеству каждый объект существует и мыслится как нечто ограниченное от других объектов. Вместе с тем качество выражает и то общее, что характеризует весь класс однородных объектов. Любой объект постоянно изменяется; вместе с тем он обладает устойчивостью, которая и выражается как качественная определённость.

Качество объекта обнаруживается в совокупности его свойств. При этом объект не состоит из свойств, не является своего рода "пучком свойств", а обладает ими. Под свойством имеется в виду способ проявления определенной стороны качества  объекта по отношению к другим объектам, с которыми он вступает во взаимодействие. Свойство объекта состоит, таким образом, в том, чтобы производить в другом объекте то или иное действие и обнаруживать себя своеобразным способом в этом действии.

В зависимости от реального и познавательного контекста объект как бы светится разными своими сторонами, качествами. Например, человек выступает различными своими качественными гранями для врача, правоведа, писателя, социолога, анатома, психолога и т. д.

Почва ценна, прежде всего, своим свойством – плодородием, т.е. способностью создавать для возделываемых человеком растений требуемые факторы и условия роста и развития. Помимо этого почва выступает как важный стокообразующий фактор, предопределяющий соотношение поверхностного и подземного стока излишков воды в реки. Почва выполняет важнейшие экологические функции, работая как многогранный биогеохимический барьер на пути загрязняющих веществ. И, наконец, почва – важный средообразующий фактор для большого количества видов растений, микроорганизмов, животных.

 Чем выше уровень организации материи, тем большим числом качеств она обладает. Поскольку каждый объект находится в бесконечных связях с другими вещами, постольку он обладает бесчисленным множеством свойств. Поэтому все попытки определить качество как полную совокупность свойств уводят в бесконечность. Категория качества объекта не сводится и к отдельным его свойствам. Качество выражает целостную характеристику функционального единства существенных свойств объекта, его внутренней и внешней определённости, относительной устойчивости, его отличия от других объектов или сходства с ними.

Качество, определённость объекта зависит, прежде всего, от его структуры, характера связи элементов целого, а также от состава его элементов. Изменение качества обусловлено или перестройкой связей элементов, или изменением самих элементов, или преобразованием того и другого. Мир состоит не из законченных и неизменных вещей, а представляет собой совокупность процессов, в которых вещи постоянно возникают, развиваются и уничтожаются, переходят в другие вещи, имеющие иное качество. Поскольку благодаря своему качеству объект выступает как именно данный, а не иной, то изменение качества означает превращение данного объекта в другой. При этом качественные изменения вещи каждый раз происходят на разном уровне: они могут быть связанными с изменением того, что специфично именно для данного единичного объекта или же для всех объектов данного класса.

Качество продукции – совокупность свойств продукции, обусловливающих её способность удовлетворять определённые потребности в соответствии с её назначением. Качество продукции охватывает не только потребительские, но и ее технологические свойства, конструкторско-художественные особенности, надёжность, долговечность, уровень стандартизации и унификации деталей и узлов в конструкции и др.

Свойства, составляющие качество продукции, характеризуются с помощью непрерывных или дискретных величин, называемых показателями качества, которые должны иметь количественный измеритель. Они могут быть абсолютными, относительными или удельными. Значения величин зависят от условий и методов их определения. Показатели качества продукции устанавливаются объективными методами, органолептически (т. е. с помощью органов чувств), экспертным путём и т. д. и рассматриваются применительно к условиям создания и эксплуатации (потребления) продукции. Показатель качества продукции, характеризующий одно её свойство, наз. единичным, два и более свойств - комплексным. Относительная характеристика качества продукции, основанная на сравнении её с соответствующей совокупностью базовых показателей, называемых уровнем качества продукции.

         Качество продукции имеет первостепенное значение для роста национального богатства и для конкретных потребителей продукции, т.к. качество определяет её потребительную стоимость. При этом часто повышение качества продукции равнозначно росту её количества, но повышение качества обычно достигается при меньших затратах, чем количественное увеличение выпуска продукции. Критерием оптимальности уровня качества продукции, т. е. её эффективности, может служить комплексный интегральный показатель качества продукции, отражающий соотношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации (потребления) продукции и суммарных затрат на её создание и эксплуатацию (потребление). При наибольшем значении интегрального показателя качества продукции обеспечивается наивысший полезный эффект, получаемый на каждый рубль затрат, т. е. максимальная эффективность.

Управление качеством продукции – установление, обеспечение и поддержание его необходимого уровня осуществляется путём систематического контроля, т. е. проверки соответствия стандартам и другой нормативно-технической документации, и целенаправленного воздействия на условия и факторы, от которых зависит качества продукции (качество документации, оборудования, инструмента, сырья, материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий, квалификация изготовителей). Большую роль при этом играют экономические методы, которые охватывают вопросы планирования, стимулирования, ценообразования и др.

Важный элемент в управлении качеством продукции – планирование повышения качества, т. е. установление обоснованных заданий на выпуск продукции с определёнными значениями показателей, которые должны быть достигнуты к заданному моменту или на заданный период времени. Планирование повышения качества продукции должно предусматривать наиболее полное использование достижений науки и техники в соответствии с требованием потребителей, назначением и условиями пользования продукции, требованиями техники безопасности и экономической целесообразности. Задания и мероприятия по повышению качества продукции разрабатываются с учётом результатов ее анализа, прогнозов технического прогресса, требований новых стандартов и потребностей народного хозяйства в продукции определённого качества.

Особое место в обеспечении высокого качества продукции принадлежит стандартизации. Комплексная стандартизация сырья, материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий и готовой продукции – эффективное средство планомерного повышения качества продукции. Стандартизация устанавливает оптимальные показатели качества, параметрические ряды продукции, методы контроля и испытаний, режимы технического обслуживания, методы ремонтов, нормы запасных частей и т. п.

         В природообустройстве важно определиться, что является объектом труда,  продукцией природообустройства и какими качествами обладает полученная продукция.

5. Природопользование и природообустройство как

отношения человека и природы

Деятельностные отношения человека и окружающей его природы можно разделить на природоведение, природопользование и природообустройство [6]. В этих двукорневых словах присутствует понятие «природа» и указаны активные действия человека: ведение (изучение), пользование, обустройство. Иными словами, здесь подразумевается субъект – человек  и объект его деятельности – природа, конкретизируются отношения человека и природы на современном этапе. Даже при изучении самого себя имеется в виду человек, как субъект, и человек – как объект изучения. Здесь под природой подразумевается все то, что окружает человека, т.е. совокупность естественных условий его существования. Вместе с тем в русском языке в понятие "природа" вкладываются и другие смыслы:

самый общий: все существующее во Вселенной: неорганический и органический мир, включая и человека, т.е. все живое и неживое (косное);

бытовой: вне города - поехать на природу;

переносный: сущность - природа явления;

узкий: окружающая человека среда.

Сужение понятия природы до среды, окружающей человека, чисто методологическое. Оно вытекает из теории больших систем. Природу в самом общем смысле можно представить как сверхсистему, состоящую из окружающей человека природной среды (надсистемы) и особой системы – человеческого общества. Такое разделение сверхсистемы позволяет человеку выявлять, изучать и, в некоторой степени,  организовывать отношения между ее составляющими, что в настоящее время при возросших возможностях человека и общества («при его могуществе») становится очень актуальным, необходимым и для его выживания как биологического вида и для сохранения природы.

Именно понятие природы как окружающей человека среды определяет его действия: именно он изучает природу, именно он ею пользуется и обустраивает для своих нужд. Это существенно, так как некоторые ученые, например, трактуют природопользование излишне расширительно, включая в него и то, что заяц ест морковку, волк ест зайца, комар сосет кровь из человека. Это естественные природные процессы, они сами оптимизируются и без вмешательства человека.

         Вместе с тем, человек порожден природой и тем самым является ее частью, но человек – единственное существо, способное постигать природу и самого себя. Эта двойственность человека усложняет создание теории отношения природы и человека.

Отношения человека и природы вытекают из того, что он, как и другие живые организмы, является материальной саморазвивающейся системой. Саморазвитие заключается в том, что он содержит свои внутренние источники развития в виде разрешения заключенных в нем противоречий. Человек активно регулирует обмен энергией и веществом с окружающей средой (неизбежные потребление и отходы), формирует условия своего собственного существования, преобразуя окружающую среду.

Специфической чертой современных отношений человека и природы является понимание того, что от неограниченной эксплуатации природы и ее безграничного преобразования следует переходить к экономии природных ресурсов и весьма осторожному изменению природной среды жизни (Н.Ф. Реймерс). Человек сейчас отказывается от позиций антропоцентризма, когда он считал себя всемогущим, царем природы, не ждущим милостей от природы, берущий в долг с обещанием потом исправить нарушенную природу.

Сторонники антропоцентризма ставят суверенитет человеческого общества выше суверенитета природы. Взаимоотношения человека и природы они видят как деятельность по использованию и преобразованию компонентов природы во имя  человека, его потребностей и интересов. Это, например, нашло отражение в долго существовавшей цели мелиорации сельскохозяйственных земель: получение (любой ценой!) высокого и устойчивого (?) урожая ограниченного набора сельскохозяйственных культур. Примеры: только хлопчатник в Средней Азии, только рис в низовьях Кубани, только овощи и картофель на осушенных торфяниках Белоруссии и в России, орошение больших территорий с черноземными почвами устаревшими технологиями.

         Другой, противоположной крайностью является идеология экологизма, которая заключает в себе призыв к прекращению борьбы с природой, к остановке научно-технического прогресса, объявляет человеческое общество составной частью природы, призывает человека к слиянию с ней, к растворению в ней.

В действительности, и антропоцентризм и экологизм - утопичны и ведут человека в тупик. Забота о человеке в антропоцентрическом мировоззрении - иллюзорна, т.к., в конце концов, оборачивается экологическим кризисом, разрушением природных (естественных) основ существования человечества. Столь же иллюзорен и экологизм, поскольку, объявляя человека частью биосферы, он, по существу, игнорирует качественные особенности развития человеческого общества, ликвидирует суверенитет человеческой личности (Р.М. Орлов).

Человек должен идти по единственно возможному пути, экологически безопасному и экономически эффективному коридору создания техноприродных или социоприродных систем, который обеспечил бы гармонический синтез изменений природных систем с возможностью их дальнейшего функционирования, наиболее полной продуктивностью, без потери устойчивости и, тем более, разрушения.

Нельзя ставить вопрос – что важнее: экономическое развитие человеческого общества или сохранение природы? Если преследовать только экономические цели, то чрезмерная разрушительная эксплуатация природы готовит нам скорый конец. Если законсервировать всю природу, то экономическое развитие остановилось бы, мы должны перестать есть, пить, дышать, т.е. вычеркнули бы себя из природы, но человек тоже часть природы в широком смысле, ее дитя. Следовательно, экономическое развитие должно быть таким, чтобы давление человека на природу не превышало разумного уровня. Отсюда вытекает необходимость разумного (рационального) природопользования и природообустройства.

Отношения человека и природы должны, в конечном счете, обеспечить гармоничное сочетание суверенных интересов человека и общества со столь же суверенными "интересами" природы (Р.М. Орлов).

Человек в своей жизнедеятельности не может отказаться ни от использования природы, ни от изменения компонентов природы, ни от научно-технического прогресса. Следовательно, необходимо познание и использование в практической деятельности законов  формирования, функционирования и развития особых техноприродных систем. Необходимо научное обоснование синтеза природных процессов и деятельности человека. Законы формирования, функционирования и развития техноприродных систем не являются ни чисто природными, ни чисто  социальными, они дают знания об особых процессах при взаимодействии человека и природы. Учет этих законов как раз и должен обеспечить коэволюцию, т.е. совместное развитие природы и человеческого общества.

Чтобы преодолеть крайности антропоцентризма и чистого экологизма, необходимо разрабатывать стратегию движения общества от ресурсно-потребительской деятельности к сберегающе-созидающей. Поэтому наряду с природопользованием возникает еще большая необходимость в осознанной деятельности - природообустройстве и природовоспроизводстве. Односторонний процесс движения изъятых из природы ресурсов в общество, который характерен для современных форм природопользования, должен быть дополнен противоположным процессом движения вещества и энергии в компоненты природы (Р.М. Орлов).

Концепция коэволюции нуждается в конкретизации, насыщении вещественно определенной деятельностью. Практическим осуществлением ее положений является начало создания культурных ландшафтов, где деятельность человека гармонизирована в его интересах и в интересах природы.

6. Объекты природопользования и природообустройства

         Дадим вначале определения природоведению, природопользованию и природообустройству:

природоведение - познание объективных законов возникновения, развития, функционирования отдельных компонентов природы и их совокупности в виде природно-территориальных комплексов или геосистем различного ранга. Заметим, что наряду с объективными законами природы: (законы Ньютона, Ома, Генри) и законами формирования человеческого общества, которые человек познает, он придумывает "правила игры" - правила поведения человека в обществе: мораль, право, правила дорожного движения, правила игры в футбол и т.п.; специалисты создают для себя стандарты, технические условия, нормы, но все это предмет соглашения между людьми, является субъективным и может быть в любой момент изменено при согласии достаточно большого количества людей;

природопользование - извлечение из природных объектов вещества, энергии и информации, необходимых в общественном производстве и для питания человека; получение услуг от природных объектов (рекреационных, оздоровительных, воспитательных, научных и т.п.);  использование природных объектов как пространственного базиса для размещения антропогенных объектов (населенных пунктов, объектов промышленности, транспорта, связи, природообустройства, обороны); использование природных объектов для размещения отходов антропогенной деятельности (газообразных, жидких, твердых, органических и неорганических);

природообустройство - согласование требований природопользователей и свойств  природы, придание ее компонентам новых свойств, повышающих потребительскую стоимость или полезность компонентов природы, восстановление нарушенных компонентов.

Природообустройство включает мелиорацию земель различного назначения, восстановление (рекультивацию) нарушенных и загрязненных земель, природоохранное обустройство территорий, борьбу с природными стихиями.

         Необходимо обозначить объекты природопользования и природообустройства. Если понимать природу, как окружающую человека среду, то ее можно представить как географическую оболочку, состоящую из пяти компонентов:

масс твердой земной коры;

масс вод во всех состояниях (жидкое, парообразное, твердое - лед);

воздушных масс;

почвы;

биоты или живых  организмов и органических остатков, имеющих большое значение в биологическом круговороте.

Географы для упрощения анализа природных процессов и устройства оболочки Земли делят её на геосферы- концентрические, сплошные или прерывистые оболочки Земли, различающиеся между собой по преобладающему компоненту, по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам, возникшие в результате дифференциации вещества Земли:

атмосферу и ее нижнюю часть – тропосферу;

педосферу (почвенную оболочку, от лат. pedis – нога, педология – устаревшее название почвоведения, пед – представительный объем почвы);

гидросферу – прерывистую водную оболочку, состоящую из океанов, морей, поверхностных вод суши, льда и снега высокогорий, Арктики и Антарктики, подземны и почвенных вод, атмосферной влаги, воды, содержащейся в живых организмах;

литосферу – внешнюю сферу «твердой» Земли, включающую земную кору и верхний слой мантии, состоящую из горных пород или геологических отложений разного происхождения. Горные породы в зоне выветривания называют еще грунтами, являющимися объектами инженерно-строительной деятельности человека и используемыми в качестве основания зданий и других инженерных сооружений, материала для сооружений (дорог, насыпей, плотин) и среды для размещения подземных сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ). Формально, почвенная оболочка также принадлежит литосфере, но по существу, это особое природное органно-минеральное средообразующее тело, обладающее уникальным свойством – плодородием, обеспечивающее жизнь на Земле, посему заслуживающее особого выделения, учета, использования, охраны.

Каждая из указанных сфер помимо определяющего компонента, содержит и другие: в атмосфере присутствует вода, твердые частицы, аэрозоли, микроорганизмы; в воде есть растворенный воздух, который важен для живых организмов, разнообразные живые организмы, твердые частицы в виде взвесей, взвешенных и влекомых наносов; почва - вообще комплексное природное тело (биокосное), непременно состоящее из измельченной горной породы, почвенной влаги (раствора), почвенного воздуха, по составу существенно отличающегося от атмосферного, живых организмов, в том числе и микроорганизмов, органических остатков разной степени разложения (гумус); в литосфере помимо горных пород имеется воздух, вода, живые организмы и их остатки (геологические породы биогенного происхождения – торф, каменный уголь, нефть, газ).

В последнее время стали выделять биосферу – нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы 3емли, населенные живыми организмами, т.е. область существования живого вещества. Биосфера - самая крупная (глобальная) экосистема Земли - сфера системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Биосфера представлена иерархиями экосистем и геосистем, с разным сочетанием биоты и сферы ее обитания.

В биосфере живые организмы (биота) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба, создано В.И. Вернадским (1926). Учение о биосфере оказало огромное влияние на развитие многих наук и на понимание и решение проблем, связанных с взаимоотношением природы и общества.

Если сопоставить толщину биосферы и радиус Земного шара: 12 км и 6360 км, то можно увидеть, что жизнь расположена в тончайшем слое, среднюю температуру которого природа поддерживает на уровне около 15оС. Человек может нарушить это хрупкое равновесие. Поэтому, в настоящее время, глобальному взаимодействию между биосферой и развивающимся человечеством нужно уделять пристальное внимание.

Развитие системы «биосфера - человек» следует рассматривать в совокупности, так как каждая часть этой системы не изолирована, а взаимодействует с другой и влияет на нее. Влияние человека на биосферу может быть положительным и отрицательным. В этом случае биосфера может «реагировать» неблагоприятным для человека образом. Так, например, сжигание больших количеств органического топлива приводит к потеплению атмосферы. При стабильности средних температур дополнительная энергия реализуется в виде вихрей, ураганов, наводнений и других, неблагоприятных для человека проявлений. История взаимодействия человека и природы полна не только светлых, радостных, но и трагических страниц. Например, перевыпас скота в степях северной Африки превратил их в пустыню Сахару. Излишнее, нерациональное использование водных и земельных ресурсов в междуречье Тигра и Ефрата привели к падению величайшей империи. В прошлом веке широкомасштабное орошение и возделывание хлопчатника в бассейне реки Сырдарьи привело повсеместному подъему уровня грунтовых вод, вторичному засолению, строительство неглубокого горизонтального дренажа положение не спасло, так как соленые дренажные воды, в конце концов, попадали в ту же реку, ухудшая качество поливной воды. В результате Сырдарья истощилась, вода ее стала непригодной, Аральское море (озеро) пересохло, живущие на его берегах каракалпаки стали вырождаться. Таких примеров можно привести множество.

Элементарными ячейками биосферы являются биогеоценозы.   Биосфера - единственная оболочка Земли, в которой возможны постоянное нахождение и нормальная всесторонняя деятельность человека. Из нее человечество черпает почти все необходимые ему ресурсы: воду, кислород, топливо, продовольствие, сырьё для промышленности, строительства и др. Биосфера в свою очередь испытывает со стороны человечества непрерывно растущие разнообразные и глубокие воздействия, вплоть до разрушительных. Близкое по объему к биосфере является  представление о ландшафтной оболочке Земли [7].

Помимо членения Земли  на компоненты и сферы, современное природоведение, в частности физическая география предлагает членение территорий на геосистемы и ландшафты –  природные тела, включающие взаимообусловленный набор всех компонентов  природы и развивающиеся как единое целое. Разработана иерархия геосистем суши, их свойства, знание которых необходимо при природопользовании и природообустройстве [7].

Интенсивно развивающийся в настоящее время ландшафтный подход является наиболее объективным, так как членение территории здесь происходит по природным границам, отделяющим одни геоситемы от других, т.е. по границам, установленным самой природой, тогда как границы между землями проводит человек, эти границы являются предметом соглашения между людьми и могут легко им изменяться.

Юридически объектами природопользования являются атмосфера, земли с различными угодьями, водные объекты и недра. Земли по направлению использования подразделяются на сельскохозяйственные, земли поселений, промышленности, транспорта, связи, обороны, земли лесного фонда, водного фонда, рекреационного, оздоровительного, историко-культурного, научного назначения и земли государственного запаса. Поэтому обустраиваются земли конкретного назначения, но находящиеся в рамках геосистем разного ранга.

Образно можно сказать, что природоведение изучает окружающую среду, природопользование использует ее в интересах человека, а природообустройство придает окружающей среде требуемое качество, которое должно приводить к повышению ее экономической полезности, а также должно улучшать все ее полезности: средообразующую, экологическую, стокообразующую.

7. Интегральные показатели качества

обустроенных объектов

В природообустройство, как было сказано выше, входит:

1) мелиорация земель разного назначения: сельскохозяйственных, водного и лесного фондов, поселений, промышленности, транспорта, связи; рекреационного, оздоровительного, историко-культурного, научного, оборонного назначения. Нуждаются в улучшающих, обустроительных работах недра при добыче полезных ископаемых (осушение карьеров, шахт, укрепление откосов и т.п.). Обустройство необходимо для водных объектов – строительство комплексных гидроузлов, судоходных сооружений. Человек может воздействовать и на качество воздушной среды: увлажнение воздуха при суховеях, борьба с неурочными заморозками посредством лесонасаждений, искусственного увлажнения распыленной водой и др.

2) рекультивация земель, т.е.  восстановление свойств компонентов природы или даже самих компонентов после использования земель, нарушенных при добыче полезных ископаемых, в результате строительства, восстановление растительного покрова, восстановление (возобновление) запасов и качества подземных и поверхностных вод; очистка загрязненных территорий, в рекультивации нуждаются недра (заполнение выработанных полостей), водные объекты (восстановление нарушенного гидрологического режима, водной биоты, очистка вод).

 3) природоохранное обустройство территорий: борьба с водной и ветровой эрозией, восстановление естественной гидрографической сети, особенно малых рек, водоохранных зон; защита от некоторых природных стихий: наводнений, подтоплений, оползней, размыва берегов, селей.

Таким образом, природообустройство – это особый вид деятельности, отличающийся от природопользования. Природообустройство глубоко вмешивается в  природные процессы, вызывает изменения в развитии и функционировании природных систем и связано с расходованием большого количества материальных, энергетических, трудовых и денежных ресурсов. Поэтому его проводят в условиях гласности, на определенной  правовой основе, после всесторонней независимой высокопрофессиональной экспертизы, его последствия должны надежно прогнозироваться и контролироваться после осуществления.

Природообустройство  тесно  связано  с  природопользованием, часто предшествует ему, иногда выполняется после смены характера использования природных объектов, во многих случаях осуществляется одновременно, хотя четкой границы между двумя этими видами деятельности нет. Любой вид природопользования сталкивается с необходимостью некоторого изменения свойств природных компонентов для более эффективного их использования, причем эти изменения непосредственно входят в состав технологии природопользования.

Отличие природообустройства от природопользования заключается в том, что осуществляют их разными технологиями. Например,  сельскохозяйственное производство является типичным природопользованием и, в зависимости от климатических особенностей зоны оно включает агротехнические приемы сбережения влаги (лесонасаждения, снегозадержание, уменьшение поверхностного стока и др.) в засушливых местностях или приемы по уменьшению переувлажнения (планировку поверхности, узкозагонную вспашку, профилирование, грядование) в зоне избыточного увлажнения. При недостаточности этих приемов проводят оросительные или осушительные мелиорации, технологии которых  отличаются от сельскохозяйственного производства, и осуществляют их другие специалисты.

Отличие природопользования и природообустройства заключается также и в том, что для них является объектом труда, а что – средством труда. Например, в растениеводстве объектом труда является культивируемое растение, а почва наряду с машинами, механизмами, удобрениями является средством труда. При мелиорации сельскохозяйственных земель основным объектом труда является почва, а насосы, каналы, дождевальные машины, дрены – средством труда.

Границу между природопользованием и природообустройством можно обозначить количественно, оценивая степень вмешательства человека в круговороты вещества и энергии. Например, указанные выше водосохраняющие технологии богарного земледелия в засушливых районах не приводят к росту общей обводненности территории, количество атмосферных осадков не меняется, а улучшается полезное использование влаги. При орошении же в этих районах искусственная водоподача превышает осадки за лето в 1,5…2 раза. При осушении практически исключают приток поверхностных вод и сокращают приток подземных вод, значительно увеличивают дренированность, уменьшая общую природную обводненность на 10…20 % и более. Ориентировочно при природообустройстве человек изменяет круговороты более чем на 10 % (В.В. Шабанов).

Обустраивая объекты, человек повышает их полезность, продуктивность. Для этого надо всесторонне оценивать их экономическую ценность (стоимость) как в естественном состоянии, так и в результате природообустройства.

         В последнее время экономисты (например, С.Н. Бобылев, МГУ) предложили довольно полную, всестороннюю оценку ландшафтов или отдельных природных объектов, например болота, луга, леса, водоема и т.д. Общую экономическую ценность (стоимость) Эц представляют как стоимость использования Си и стоимость неиспользования Сни, отражающие социальную значимость природного объекта для общества не только в настоящем, но и в будущем:

                                                    Эц = Си + Сни.                                                         (21)

В свою очередь стоимость использования подразделяют на прямую стоимость Пс (извлекаемую и неизвлекаемую), косвенную стоимость использования Кс и стоимость отложенной альтернативы Са:

                                                   Си = Пс + Кс + Са.                                                   (22)

         Стоимость неиспользования, т.е. сохранения природного объекта для природы и человека Сни складывают из стоимости его существования и наследования будущими поколениями (непотребительной стоимости) Сс, стоимости (ценности) выполняемых им экологических функций Сэ, информационной стоимости Син:

                                                    Сни = Сс + Сэ + Син.                                               (23)

         Например, общая экономическая стоимость болота состоит из прямой стоимости его использования человеком: извлекаемой без осушения – добыча мха, клюквы,  а после осушения – добыча торфа, выращивание сельскохозяйственных культур; неизвлекаемой – охота; косвенной стоимости использования – изучение флоры и фауны, миграции птиц и т.п., в связи с этим, защита флоры и фауны; стоимости отложенной альтернативы – сохранение торфа для будущего использования по мере развития новых технологий в химической, медицинской промышленности; стоимости существования и наследования – затраты на сохранение болота для будущих поколений при осушении прилегающих земель, при дорожном строительстве; стоимости экологических функций – значимость болота для регулирования стока рек, как биогеохимического барьера на пути миграции загрязняющих веществ; информационной стоимости – возможность познания геологической истории местности, использование генофонда проживающих организмов для селекционной работы.

         Такая оценка изменяет отношение человека к природным объектам, как к бесплатным, даровым источникам ресурсов и услуг. Она позволяет оценить их значимость как уникальных объектов, осознано подходить к их изменению в процессе природообустройства и  к использованию, показывает взаимозависимость частных ценностей. Повышая одну из ценностей, полезностей, можно уменьшить другую, что в сумме, возможно, приведет к отрицательному эффекту.

Важно также, какой ценой оплачен рост одной из полезностей, в частности, каким объемом материальных или энергетических ресурсов, извлекаемых, в том числе и из других ландшафтов. Яркий пример – бурная дискуссия о межбассейновых перебросках речного стока. По видимому, общество приняло бы идею перебросок, если бы изначально была бы доказана «межландшафтная» полезность перераспределения водных ресурсов.

Таким образом, совокупность мероприятий по обустройству должна основываться на оптимизации не частных полезностей, что обычно и делается, а на доказательстве повышения общей полезности.

В обустроенном объекте надо обеспечивать максимальную производительность возобновляемых природных ресурсов и, прежде всего, биологических. Нужно ориентироваться на использование возобновляемых «чистых» энергетических ресурсов, не загрязняющих природную среду; предотвращать нежелательные процессы как природного, так и техногенного характера (эрозия почв, заболачивание, засоление, наводнения, оползни, размывы берегов, сели, обмеление рек, загрязнение воздуха, вод, почвы и т.д.).

Большие возможности имеет мелиорация земель как средство создания обустроенных объектов, хотя неправильное ее применение сопряжено с негативными последствиями. Помимо мелиорации человек имеет в своем распоряжении и другие средства  для обустройства территории (соответствующие системы земледелия, подбор сортов и др.).

В обустройстве большое значение имеет научная организация территории. Следует предусматривать оптимальный набор угодий различного назначения, рациональное соотношение их площадей, взаимное расположение, форму и размеры, режим использования, разумное количество мелиорированных земель (иногда надо идти не на их увеличение, а на сокращение, реконструкцию мелиоративных систем), меры охраны.

Решение этих задач, с одной стороны, определяется социальным заказом, а с другой – строением самого объекта и тем наследием, которое оставила предшествующая хозяйственная деятельность. Нужно иметь в виду, что интересы экономики и охраны природы не всегда совпадают, нужно искать компромисс, отдавая предпочтение сохранению природы, так как она является долговременным фактором жизни людей. Часто вступают в противоречие и интересы различных отраслей производства: например, при создании водохранилищ повсеместно возникает конфликт между интересами гидроэнергетики, сельского хозяйства, рыболовства. Особенно сложная ситуация  складывается в густонаселенных давно освоенных районах с напряженным земельным балансом, где нужны резервные территории для развития поселений, коммуникаций, оздоровительных и природоохранных зон.

Обустроенные объекты приобретают ряд полезностей, которые придают им новое качество, т. е. как было сказано в начале, ценностную характеристику функционального единства существенных ее свойств, новую внутреннюю и внешнюю определенность, относительную устойчивость, отличие ее от одних местностей и сходство с другими.

Построить интегральную оценку качества обустроенного объекта можно, формально объединив по какому-то алгоритму набор частных показателей, таких как запасы гумуса, питательных веществ, степень засоления, плотность, водопроницаемость, влагообеспеченность и т.п. Возникает вопрос, а что с этим объединенным показателем делать дальше, какой из них лучше или ценней?

Мы полагаем, что оценка качества должна быть максимально приближена к конечным целям обустройства объекта. Так, если обустраиваются сельскохозяйственные земли, то главной потребительской целью является урожайность конкретного растения. Не менее важной является экологическая ценность обустроенного объекта, т.е. способность выполнять природоохранные функции. Последняя прямо пропорциональна интенсивности почвенных процессов, влияющих на разложение загрязнителей, на барьерные (сорбционные) функции и т.д.

Тепловлагообеспеченность  однозначно  формирует  матрицу  типов   ланд-

Табл.5. Матрица типов ландшафтов

Влагообес-

печенность

стран

Теплообеспеченность географических зон

Полярные

Борельные

Суббореальные

Субтропические

Тропи-ческие

Субэкваториальные

Экваториальные

Экстрааридные

Арктические

 

 

 

 

Пустынные африканские

Пустынные

Аридные

Тундровые

Таежные

 

Сухостепные

Полупустынные

Ср.Аз.

Пустынные

Ср.Аз.

 

Семиаридные

Лесотундр.

Широколист. леса

 

Саванновые

 

 

 

Семигумидные

 

Лесостепные

Степные

 

 

Лесные субэкваториальные

 

Гумидные

 

Лесные

муссонные

 

 

 

 

Лесные тропические

Экстрагумидные

 

 

 

 

 

 

Сельва

шафтов, в которой широтные географические зоны определяют теплообеспеченность (столбцы в табл. 5), а страны, зависящие от удаленности от океана – влагообеспеченность (строки в табл. 5); полностью матрица заполнена в учебнике «Ландшафтоведение» [7].

Сама интенсивность почвенных процессов напрямую зависит от оптимальности тепловлагообеспеченности территории. Она же предопределяет и уровень биологической продуктивности

Можно утверждать, что плодородная почва экологически наиболее активна, она же с развитым растительным покровом в лучшей степени выполняет свою стокообразующую функцию. Плодородная почва наилучшим образом выполняет и средообразующую функцию по отношению к природной флоре и фауне.

Естественно, что все эти функции проявляются наилучшим образом при рациональном сочетании естественных и искусственных угодий (пашни).

Сейчас уже общепризнано, что это достигается на мелиорированных землях, на которых выдерживается оптимальный мелиоративный режим, т.е. совокупность требуемых показателей почвенных процессов.

Именно мелиорация позволяет оптимизировать тепловлагообеспеченность почвенного слоя, тем самым, придавая земле другое качество (продуктивность, полезность), новую внутреннюю и внешнюю определенность (сероземы превращаются в новую почвенную модификацию – ирригационные сероземы, торфяно-болотные почвы – в осушенные торфяно-перегнойные почвы и т.д.), относительную устойчивость (изменения под действием мелиораций существуют десятилетиями), отличие мелиорированных земель от богары (отсюда другая кадастровая оценка, земельный налог и т.д.).

Таким образом, оценивая обустроенные объекты по такому интегральному показателю, как тепловлагообеспеченность. мы генетически, без привлечения формальных процедур, сворачиваем ряд показателей в один. Таблица 5 дает номинальную, т.е. нечисловую шкалу ландшафтов [Рекс Л.М. и др., 1999]. Количественная (метрическая)  шкала дает более детальную классификацию ландшафтов по тепловлагообеспеченности, например, например, по величине индекса сухости М.И. Будыки  Ic = 10R/(LОс)  или коэффициент увлажнения А.Н. Костякова  Ку = Ос/Ео,  где R – годовая величина радиационного баланса, КДж/см2  L – теплота парообразования воды, равная 2,26 КДж/см3, Ос – годовое количество атмосферных осадков, мм (произведение LОс означает, сколько тепла надо для испарения всех выпавших осадков); E0 – годовая величина испаряемости.

Применяется также показатель дефицита увлажнения за теплый период как разность между испаряемостью и осадками за это время Д = Ос- Е0.  Последний показатель примерно характеризует оросительную норму, так как при увлажнении стараются суммарное испарение приблизить к максимально возможному для получение высокого урожая.

Отметим, что обустройство территорий (мелиорация) изменяет приведенные выше интегральные оценки и по степени их приближения к оптимальным судят об изменении качества (ценности) объектов. Однако, такой показатель еще недостаточно интегрален. Можно пойти далее и вычислять биологическую продуктивность некоторого представительного ценоза, например, трав и использовать эту продуктивность для характеристики экономической ценности обустроенного объекта, его экологической и стокообразующей ценности. При этом открывается возможность оценки ограничивающих продуктивность факторов: обеспеченности питательными веществами (которая имеет максимум, превышение которого снижает продуктивность), засоленности, загрязненности, используя работы В.В. Шабанова [12]:

                                                = Uф/U0  = Kω Kθ Kп Ks Kz,                                  (24)

где  - относительная продуктивность; Uф  – фактическая урожайность при неблагоприятных условиях; U0 – потенциальная урожайность данной культуры при всех оптимальных условиях и агротехнике; Kw, Kq, Kп,  Ks, Kz – коэффициенты, учитывающие неоптимальное увлажнение почвы, обеспеченность теплом, питательными веществами, снижение урожайности из-за засоления или загрязнения почвы. Набор этих коэффициентов может быть увеличен.

Влияние влажности почвы на урожайность можно определить по формуле:                                                            

                                          ,                                                (25)

i – номер декады вегетационного период; n – число декад; ai – вклад каждой декады в урожайность, ;

                                        ,            (26)

w - относительная доступная влажность в корнеобитаемом слое  почвы hкос в каждую декаду,

                                                   w =(ω – ВЗ)/(p – ВЗ),                                              (27)

где w - влажность почвы; ВЗ – влажность завядания; p – пористость;

wopt – относительная оптимальная влажность для каждой декады

                                               wopt =(ωopt – ВЗ)/(p – ВЗ);                                            (28)

ωopt – оптимальная влажность для каждой декады,

g - коэффициент чувствительности растения на неоптимальность влажности в данную декаду.

Зависимость коэффициента b от влагозапасов имеет несимметричную куполообразную форму (рис. 10).

Коэффициент, учитывающий неоптимальную обеспеченность теплом Кθ  вычисляется по аналогичным формулам (26)…(28), в которых величины влажности заменены соответствующими величинами температуры почвы. Это же относится и к коэффициенту, учитывающему обеспеченность почвы питательными веществами Kп. Засоленность и загрязненность почвы токсичными веществами учитывается коэффициентами Ks и Kz:

 ;     при Z < Zдоп   Ks = Kz   = 1;                            (29)

Zдоп    - допустимая степень засоления или загрязнения.

Таким образом, относительная продуктивность до обустройства объекта может, например, составлять 0,5, а после проведения обустроительных работ (водных, химических мелиораций, очистки земель от загрязнения) она может подняться до 0,9, следовательно, качество обустроенного объекта увеличилось в 1,8 раза.

 

8. Изменчивость свойств окружающей среды

и ее учет при проектировании

Можно утверждать, что природным телам всегда присуща неоднородность свойств в пространстве, а природные процессы всегда осложнены случайно изменяющимися временными факторами, такими, как погодные условия, т.е. являются случайными процессами. Случайность изменения свойств в пространстве и случайность внешних воздействий генетически свойственны природным телам и природным процессам. Это легко доказывается от противного, так как невозможно представить абсолютно однородные природные образования, происходящие при неизменных внешних воздействиях. Даже сложнейшие технологические процессы в электронной промышленности, требующей неимоверной чистоты исходных материалов и стерильной постоянной среды в цехах всегда оговорены технически допустимыми допусками в их отклонении.

Неоднородность (случайная изменчивость свойств и показателей окружающей среды) объясняет устойчивость природных тел к внешним воздействиям. Разнотравный покров луга делает его устойчивым к засухам, заморозкам и болезням, так как в «трудные» годы часть растительности все-таки выживает. Наличие микрорельефа образует повторяющиеся микровозвышенности с более сухими  чем в среднем почвами, и микропонижения – с более влажными, что позволяет выживать более влаголюбивым или более засушливым растениям, соответственно. Аналогично способствует устойчивости биогеоценоза вариация водопроницаемости верхних слоев почвы, изменчивость запасов питательных веществ, кислотности или засоленности почв.

Как ни странно, естественное желание человека все спланировать, в смысле выровнять, чтобы облегчить мелиорацию почв или агротехнику, ликвидирует внутреннюю случайную неоднородность природных объектов, объективно снижая их устойчивость.

Пространственная неоднородность свойств природных тел ставит новые, довольно сложные задачи при предпроектных изысканиях и при проектных расчетах [4]:

1.     Необходимо на картах достоверно выделять участки, обладающие генетически оправданной (причинной) неоднородностью в виде контуров, внутри которых возможно дальнейшее членение территории с нанесением изолиний и т.п.

2.     Внутри этих контуров, где какой-то признак варьирует случайным образом и некоррелирован в пространстве, надо назначать некоторое количество измерений, характеризующих случайный ряд величин  с заданной точностью, иными словами обосновывать требуемый объем изысканий. Задача эта технико-экономическая, так как с увеличением числа измерений затраты на изыскания растут, но снижается риск от неточных инженерных исследований и растет выгода от точно назначенных инженерных приемов природообустройства (точней назначаются поливные нормы, междренные расстояния и т. п.).

3.     Случайная неоднородность свойств в пространстве требует совсем иных способов расчетов, так как многие формулы получены из предположения, что эти свойства постоянны в довольно большом объеме (коэффициент фильтрации, пористость, исходное засоление почв). Случаи массо- и эенергопереноса в среде со случайно изменяющимися параметрами описаны в технической литературе еще недостаточно, для их учета применяют методы случайных испытаний, когда среда «насыщена свойствами» в случайном порядке с помощью генераторов случайных чисел, это возможно только с помощью быстродействующих компьютеров.

4.     Случайная изменчивость какого либо свойства ставит задачу выбора из неограниченного массива его величин одной конкретной расчетной величины, задача эта тоже технико-экономическая, так как величины с меньшей обеспеченностью представляют меньшую площадь, а, следовательно, и меньшую площадь, например,  с требуемым осушением. Расчеты по средним величинам означают, что половина площади, например,  будет переосушена дренажем, а вторая – недоосушена, что не приемлемо.

5.     Изменчивость погодных условий также заставляет использовать вероятностные методы, так как достоверных прогнозов на длительную перспективу (на год) пока не существует, поэтому приходится ограничиваться условными расчетами, например, какой будет потребность в орошении, если год по засушливости будет иметь заданную обеспеченность или вероятность превышения. При этом используется метод ретроспективного моделирования, т.е. полагают, что бывшие годы повторятся с той  же вероятностью в будущем.

Выделяют четыре порядка фильтрационной неоднородности:

1.     неоднородность нулевого порядка, которая проявляется  в отдельных формациях, удаленных один от другого массивах и тому подобных генетически однородных элементов земной коры с характерным размером  более 106 см;

2.     неоднородность первого порядка, которая проявляется в связи с наличием в массиве различных по составу, структуре и текстуре горизонтов, фациальной изменчивости зон, гидротермальной и экзогенной переработки и т.п., характерные размеры таких элементов равны 103…106 см;

3.     неоднородность II порядка – проявляется внутри генетически однородного водоносного горизонта в связи с разным характером пористости, макротрещиноватости, слоистости и выявляются в разных зонах или интервалах опробования, характерный размер таких элементов не превышает 103 см;

4.     неоднородность III порядка – проявляется при определении водопроницаемости грунта в малом образце, она обусловлена различиями форм и размеров пор, наличием каналов и микротрещин. С увеличением объема образца  эта неоднородность уменьшается.

Такая классификация позволяет найти место статистической или вероятностной оценке величин коэффициентов фильтрации. Очевидно, что неоднородности нулевого и первого порядков не случайны, выявляются по ряду стратиграфических и других признаков в виде отдельных слоев, горизонтов. Статистическая оценка водопроницаемости может применяться внутри этих элементов.

         Возможность выявления фильтрационной неоднородности зависит от способа определения коэффициента фильтрации. Так, неоднородность III порядка может быть выявлена только при лабораторных опробованиях малых образцов. Полевые способы позволяют оценить осредненную водопроницаемость в гораздо больших объемах и могут выявить неоднородность II порядка: наливы в шурфы, мелкие скважины, пьезометры, откачки  из одиночных скважин или кустов.

         Коэффициенты фильтрации, определенные по данным режимных наблюдений или за работой дренажа, характеризуют или весь массив в целом или отдельные слои, при этом выявляется неоднородность II порядка.

         Рассмотрим статистические свойства величин коэффициентов фильтрации, случайность которых определяется пространственной  неоднородностью опробываемого горизонта. А.Н. Колгмогоров показал, что при дроблении частиц их размеры подчиняются логарифмически нормальному закону распределения, поэтому и размеры пор, а также величины  коэффициента фильтрации распределены по тому же несимметричному закону распределения. Для очень однородных по размеру зерен этот закон приближается к нормальному.

         В табл. 6 приведены показатели степени варьирования коэффициента фильтрации покровных отложений разного генезиса.

Табл. 6. Обобщенные показатели степени варьирования коэффициента фильтрации покровных отложений

Наименование грунтов по литологическому составу

Число

объектов

Число

величин

Коэффициент вариации

Среднее значение

Пределы

изменения

Глина

Суглинок тяжелый

Суглинок средний

Суглинок лессовидный

Супесь средняя

Пески среднезернистые

Пески аллювиальные разно-зернистые

Пески мелко- и среднезернистые

Гравийно-галечниковые отложения

Торф низинный осушенный

6

5

20

4

7

1

3

 

9

7

12

144

215

688

90

186

34

339

 

305

153

414

0,80

0,89

0,73

0,65

1,20

0,39

0,45

 

0,50

0,39

0,42

0,40…1,30

0,69…1,16

0,41…1,33

0,32…0,91

0,73…1,39

0,41…0,51

 

0,39…0,73

0,19…0,73

0,23…0,71

Для этого использована величина коэффициента вариации, т.е. отношения среднеквадратичного отклонения  к среднему (3). Наблюдается рост изменчивости коэффициента фильтрации по мере уменьшения водопроницаемости и утяжеления гранулометрического состава, за исключением супеси из-за трудности отношения грунтов к ней из-за разного количества примеси глины.

Для гравийно-галечниковых отложений коэффициент вариации мал и лежит в пределах 0,3…0,4; для песков – 0,4…0,5; суглинков средних – 0,65…0,75; тяжелых суглинков и глин – около 0,8…0,9.

А.И. Голованов рассмотрел работу дренажа при инфильтрационном питании q, м/сут когда в междренье шириной В попадают несколько зон с разными коэффициентами фильтрации грунта k, распределенных по логарифмически нормальному закону и с коэффициентом вариации Cvk. Тогда при мощности проницаемого слоя Н напор на междреньи (разность между горизонтом грунтовых вод и горизонтом воды в дрене) будет зависеть от степени варьирования величины коэффициента фильтрации:

                                                  ;                                                 (30)

где kср – среднеарифметическая величина коэффициента фильтрации.

Так если предположить, что грунт однородный по водопроницаемости, т.е  Сvk=0,  и k=1 м/сут, то при инфильтрационном питании q=0,002 м/сут; В=200 м; Н=10 м напор на междреньи составит h=1м, а если коэффициент вариации мелкозернистого песка окажется равным Сvk=0,5 (табл. 6), то напор на междреньи будет варьировать и его математическое ожидание увеличится до 1,25 м, т. е. может оказаться недопустимым. Данный пример показывает необходимость учета статистической изменчивости величины коэффициента фильтрации при расчета дренажа.

Технико-экономическими расчетами, т.е. сравнением затрат на геологические изыскания с ущербом от неточных расчетов дренажа А.Головановым получено оптимальное количество измерений, приходящихся на один севооборотный участок площадью 600 га (табл. 7).

Варьируют в пространстве и другие водно-физические свойства почв, необходимые при расчете водного режима (см. табл. 8),  правда, их изменчивость в несколько раз меньше вариации коэффициента фильтрации. Так, коэффициенты вариации плотности верхних горизонтов различных почв и их пористость в 5…10 раз меньше, чем вариация коэффициента фильтрации. Из-за малого варьирования закон их распределения весьма близок к нормальному, что облегчает расчеты.

Табл. 7. Оптимальное количество измерений коэффициента фильтрации

Коэффициент вариации коэффициента фильтрации

Примерное соответствие виду грунтов

Количество измерений

0,3

 

0,5

0,7

0,9

Крупнозернистый песок, гравийно-галечниковые отложения

Песок

Средний суглинок

Тяжелый суглинок, глина

6

 

10

12

16

Табл. 8. Изменчивость плотности и пористости различных почв

Почвы

Гранулометричес

кий состав

Число

объектов

Число

изме-рений

Плотность,

г/см3

Пористость, доли

Ср. вели-чина

Коэф.

вариац.

Ср.

вели-чина

Коэф.

вариац.

Чернозем обыкновен.

Каштановые

 

 

Сероземы

 

 

 

 

Луговые глеевые

глинистый

суглинистый

суглинистые

суглинистые лессовидные

суглинистые

суглинистые лессовидвые

супесчаные лессовидные

глинистые

суглинистые

11

5

7

4

 

8

7

 

1

 

4

7

478

343

471

561

 

549

321

 

291

 

174

491

1,56

1,59

1,53

1.49

 

1,50

1,44

 

1,42

 

1,59

1,53

0,08

0,09

0,09

0,10

 

0,08

0,10

 

0,06

 

0,09

0,11

0,462

0,441

0,443

0,447

 

0,444

0,452

 

0,474

 

0,456

0,445

0,11

0,10

0,09

0,11

 

0,10

0,11

 

0,06

 

0,09

0,10

Сумма или среднее

 

54

3679

 

0,10

 

0,10

Но если в одно междренье попадают несколько величин коэффициентов фильтрации при размере зоны неоднородности, исчисляемой в метрах, что несколько нивелирует разброс глубин грунтовых вод, то при расчете увлажнения вертикальными токами влаги пестрота увлажнения сопоставима с вариацией водно-физических свойств, что непосредственно сказывается на урожайности растений.

Поэтому рассчитывать увлажнение на средние значения свойств почв недопустимо, так как вероятно, что половина площади окажется недоувлажненной, а другая – переувлажненной. Поэтому технико-экономическими расчетами заранее устанавливают целесообразную обеспеченность (т.е. вероятность превышения) величин водно-физических свойств. Так для ряда культур установлено, что режим орошения следует считать, используя величины водно-физических свойств обеспеченностью 20…25 %, т. е принимать в расчет большие, чем их средние величины.

В табл. 9. приведен пример зависимости чистого дисконтированного дохода от мелиорации крупных объектов в зависимости от обеспеченности комплекса водно-физических параметров верхних почвенных горизонтов (плотности, пористости, максимальной молекулярной влагоемкости, высоты капиллярного подъема и коэффициента фильтрации). Массивы расположены в степных и сухостепных районах Западной Сибири (расчеты выполнил И.В. Корнеев).

Табл. 9. Чистый дисконтированный доход (млн. руб.) проектов мелиоративных систем, рассчитанных на водно-физические параметры почвы различной обеспеченности.

Расчетная обеспеченность

Барабинск

Кулунда

5%

30.5

25.6

10%

34.3

30,0

25%

35.9

30.8

50%

26.6

16.4

75%

14.7

11.9

90%

7.4

0.70

95%

0.2

-7.00

В южных засушливых районах образуются засоленные почвы из-за повышенного количества солей в почвообразующих породах морского происхождения или в результате выпаривания почвенных растворов, получающих питание в горных районах при выщелачивании солей из пород. Освоение засоленных земель возможно только после их промывки пресной водой.

Для определения ее количества (промывной нормы) требуются полевые измерения запасов солей в почве. Эти измерения показали, что исходное засоление крайне  неравномерно  по  площади,  распределение  запасов  солей  имеет  очень

Табл. 10. Статистическая обработка данных об исходном засолении почв

Объект

Показатель

Горизонт,

см

Число

измере-ний

Сред-

нее

Коэффициент

вариации

Закон распределения

1

2

3

4

5

6

7

Кзыл-ордин-

cкий масссив, контур №4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Джизакский

vассив

Контур №501

 

 

 

 

 

 

Контур №482

 

 

 

Контур №502

 

 

 

Контур №537

 

 

 

Контур №598

 

 

 

Голодная Степь, Совхоз № 5

Плотный остаток,%

 

 

 

 

 

Хлор, %

 

 

 

 

 

 

Хлор, мг/экв

 

 

Натрий,

мг/экв

 

 

 

Хлор, мг/экв

Натрий,

мг/экв

Хлор, мг/экв

Натрий,

мг/экв

Хлор, мг/экв

Натрий,

мг/экв

Хлор, мг/экв

Натрий,

мг/экв

Хлор, %

0…10

30…40

60…70

90…100

130…140

170…180

0…200

0…10

30…40

60…70

90…100

130…140

170…180

0…200

0…20

20…50

50…100

100…150

0…20

20…50

50…100

100…150

150…200

0…100

100…200

0…100

100…200

0…100

100…200

0…100

100…200

0…100

100…200

0…100

100…200

0…100

100…200

0…100

100…200

0…20

20…40

40…60

60…80

80…100

140

141

143

145

141

131

142

134

137

137

139

135

123

134

59

59

59

59

58

58

58

58

58

32

24

31

24

59

58

59

58

70

70

70

69

46

39

46

39

60

60

60

60

60

1,03

0,49

0,45

0,43

0,40

0,49

0,52

0,13

0,07

0,06

0,06

0,06

0,06

0,10

0,99

4,03

6,34

6,67

3,44

11,28

14,90

15,51

15,23

6,90

4,51

13,44

10,18

2,31

3,31

5,30

9.01

1,79

2,94

4,20

7,07

2,94

6,31

11,34

16,88

0,05

0,06

0,05

0,05

0,04

0,95

0,84

0,86

0,91

0,92

0,99

0,79

1,15

1,04

1,40

1,07

1,13

1,05

1,11

1,64

1,01

0,75

0,65

1,00

0,85

0,53

0,51

0,53

0,92

0,61

0,77

0,43

1,96

1,10

1,43

0,63

1,72

1,35

1,18

0,82

1,49

1,17

0,99

0,70

0,70

0,73

0,84

0,72

0,68

Логнорм.

“–

“–

“–

“–

“–

“–

Логлогнорм.

“–

“–

“–

“–

“–

“–

Логнорм.

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

“–

 

несимметричную форму, описывается логарифмически нормальным, а в некоторых случаях даже логлогнормальным законом. Коэффициент вариации исходного засоления, т.е. отношение среднеквадратичного к средним запасам часто превышает единицу (табл. 10).

Сильная пространственная изменчивость исходного засоления делает актуальным, во-первых, выбор расчетных исходных запасов солей в почве, так как очевидно, что считать на средние запасы нельзя, потому что недопустимо, чтобы половина территории осталась недопромытой, а, во-вторых, неясно, а сколько нужно сделать измерений в поле для достоверной оценки не только средних запасов, но и расчетных требуемой вероятности, так как при этом нужны достоверные величины среднеквадратичного отклонения. Из теории вероятностей известно, что для достоверной оценки средней величины случайного ряда требуется около 25…30 измерений, а для оценки дисперсии – уже не менее 100 измерений.

Анализ затрат на промывку почвы, прямо зависящих от степени засоления, в сопоставлении с ущербом от недопромывки почвы показывает, что ориентировочно нужно сделать 10…15 измерений исходного засоления на площади одного севооборотного участка, примерно равного 400…600 га. В связи с меньшей изменчивостью водно-физических свойств в пространстве количество их измерений может быть уменьшено до 6…8.

Величины расчетной обеспеченности исходного засоления сильно зависят от его пространственной вариации и от средней степени засолении (табл. 11). При среднем начальном засолении и коэффициенте его вариации равном 1,0 в качестве исходного нужно принимать засоление, превышающее 11% территории.

Табл. 11. Обеспеченность исходного засоления для расчета промывных норм

 

Степенъ засоления, %

Расчетная обеспеченность в % при коэффициенте вариации засоления

1,6

1,0

0,5

Солончак, 2 %

Сильное, 1,2%

Среднее, 0,5%

6

7

9

8

11

15

22

26

32

 

 

9. Статистическое обоснование оросительных мелиораций

        Орошение земель является мощным средством повышение их качества, так как при правильной строго дозированной подаче поливных вод растет урожайность, идет накопление гумуса и рост плодородия почвы. Это способствует усилению других важных природосберегающих функций почвы: стокообразующей, барьерной, средообразующей.

Однако неправильный режим орошения, особенно переполивы почвы имеют негативные последствия: излишнюю промываемость и обеднение почвы, подтопление территории, возможно вторичное засоление земель при подъеме уровней минерализованных грунтовых вод. При перерасходе поливных вод уменьшается водность рек, возникает потребность в искусственном дренировании земель, появляется проблема отвода часто соленых дренажных вод. Поэтому оптимизация режима орошения имеет важное природоохранное значение, способствует поддержанию качества земель на высоком уровне.

9.1. Расчет водопотребления при орошении

Под режимом орошения понимаются  объемы и сроки подачи воды растениям. Он должен:

обеспечивать потребности растений в воде во все фазы их развития;

способствовать наилучшему сочетанию водного, воздушного, теплового, пищевого и солевого режимов в корнеобитаемом слое почвы и приземном слое воздуха, т.е. получению высокого урожая возделываемых культур;

способствовать повышению плодородия почв, не допускать их переувлажнения, заболачивания, засоления, размыва;

не оказывать неблагоприятного влияния на прилегающие земли и водные объекты.

         Иными словами, режим орошения должен обеспечивать благоприятный мелиоративный режим территории, назначать его надо, соблюдая принципы природообустройства.

На режим орошения растений влияют природные, биологические, хозяйственные, экономические факторы. К природным факторам относятся климатические, почвенные, гидрогеологические условия, вид источника орошения, качество поливной воды. Биологическими факторами являются вид растений, их сорт, качество семян. К хозяйственным, мелиоративным, экономическим факторам относятся уровень агротехники, оснащенность хозяйства, наличие трудовых ресурсов и их квалификация, тип оросительной сети, способ и техника полива, производительность труда на поливе, капитальные и эксплуатационные затраты на осуществление намеченного режима. Режим орошения является основой для проектирования оросительных систем.

Климатические условия значительно изменяются по годам, следовательно, и режимы орошения растений в разные годы будут различными.

При составлении проектов оросительных систем режимы орошения разрабатывают для лет различной обеспеченности дефицита атмосферного увлажнения D, т. е. разности между потенциальной эвапотранспирацией (испаряемостью) E0 и количеством атмосферных осадков Ос:  D = E0Ос.

Примерные величины осадков теплого периода, испаряемости, среднемноголетнего дефицита атмосферного увлажнения D , коэффициента увлажнения Kу=Ос/Е0, меженнего стока рек, годового стока и стока весеннего половодья для Европейской части России приведены на рис.2…8.

Для сухих лет потребуются б'ольшие объемы оросительной воды, соответственно оросительная система для подачи этой воды будет дороже, зато прибавка урожая от орошения будет больше и наоборот. Для выбора расчетного года проводят технико-экономическое сравнение вариантов проекта оросительной системы, составленных для различных лет. Более высокая обеспеченность орошения экономически целесообразна для влаголюбивых и ценных культур.

Режим орошения для условий расчетного года называется проектным. В период эксплуатации оросительной системы изменения климатических, мелиоративных, хозяйственных условий учитывают в эксплуатационных режимах орошения, которые составляют при сезонном и оперативном планировании водопользования на предстоящий сезон, декаду, неделю.

Основой для разработки режимов орошения является величина суммарного водопотребления выращиваемых культур. Суммарным водопотреблением (суммарным испарением, эвапотранспирацией) называют количество воды, расходуемое на транспирацию растениями и испарение почвой за расчетный период. Эта величина измеряется в м3/га или в мм слоя воды за период вегетации, месяц, декаду, неделю, сутки. В различных условиях и для разных культур суммарное водопотребление составляет  250…1000 мм за вегетацию.

 

Рис. 2. Карта осадков теплого периода, мм

 

 

Рис. 3. Карта испаряемости за теплый период (по Н.Н. Иванову), мм

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Карта дефицита увлажнения за теплый период, мм

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Карта коэффициента увлажнения за теплый период

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Карта меженнего стока рек, мм

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Карта годового стока рек, мм

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8. Карта стока весеннего половодья, мм

Суммарное водопотребление зависит от метеорологических условий, вида и фазы развития растений, состояния почвы, ее затененности листьями, уровня агротехники, обеспеченности элементами питания, степени оптимальности водного, теплового, солевого, воздушного режимов. С улучшением условий произрастания растения используют воду более экономно. Показателем продуктивности использования воды растениями служит коэффициент водопотребления, т. е. количество воды, затраченное  на транспирацию растениями и испарение почвой для образования единицы массы основной продукции. Он изменяется в широких пределах – 10...100 мм/т. При повышении плодородия почвы и улучшении агротехники суммарное водопотребление растет медленнее, чем урожай. Увеличение урожайности за счет повышения обеспеченности растений водой возможно лишь до определенного предела, дальше для повышения продуктивности земель требуется новый уровень агротехники и плодородия почвы. Так, при увеличении урожайности овощей в 2,9...3,2 раза суммарное водопотребление возрастает лишь на 17...25 %, а коэффициент водопотребления уменьшается в 2,4...2,7 раза.

Суммарное водопотребление определяют несколькими методами (полевыми, аналоговыми, расчетными), ориентировочные его значения можно найти в справочниках [9].

В общем виде суммарное водопотребление растения связано с потенциальной эвапотранспирацией или  испаряемостью Е0, т. е. когда растение развивается в самых благоприятных условиях водообеспечения и когда остальные факторы и условия его жизни и развития находятся в оптимуме (обеспеченность питательными веществами, температура почвы; агротехника, глубина грунтовых вод, степень засоления и загрязнения не ограничивают развитие растения). В этом случае потенциальное водопотребление  растения зависит от вида возделываемых растений (площади листовой поверхности и др.), учитываемого так называемым биологическим коэффициентом  КБ, а также от размеров орошаемого участка. При малых его размерах создается так называемый оазисный эффект, учитываемый микроклиматическим коэффициентом КМ, т. е. рост транспирации за счет наличия иссушенного воздуха на соседних неорошаемых землях:

                                                                                                         (31)

Величина биологического коэффициента растения зависит от его развития, которое ставится в зависимость от накопления суточных сумм температур воздуха (так называемые «биологические часы»), а также от природной увлажненности географических зон (см. табл. 12 по данным Н.Н. Данильченко).

Табл. 12. Средние за вегетацию биологические коэффициенты и требуемая сумма температур воздуха (по Н.В. Данильченко)

Лесная зона

Кбиол

Сум. темп.

Степная зона

Кбиол

Сум. темп.

Озимые колосовые (пшеница, рожь)

0.87

1500

Озимые колосовые (пшеница, рожь)

0.91

1300

Яровая пшеница

0.93

1500

Яровая пшеница

0.83

1500

Кукуруза, подсолнечник (на силос)

0.95

2100

Кукуруза на зерно

0.87

2100

Картофель поздний

0.91

1900

Картофель поздний

0.85

1900

Кормовые корнеплоды (свекла)

0.91

1900

Сахарная свекла

0.90

2900

Капуста ранняя

1.01

1500

Пожнивная кукуруза

0.76

1300

Капуста поздняя

1.00

1900

Капуста поздняя

0.96

2300

Овощные (огурцы, лук, морковь,

столовая свекла)

0.97

1700

Овощные (томаты, столовая свекла и др.)

0.94

2100

Люцерна прошлых лет

0.97

2100

Подпокровная люцерна

0.77

1300

Орошаемые пастбища

0.94

2100

Люцерна прошлых лет

0.91

2900

 

 

 

Орошаемые пастбища

0.92

2900

 

 

 

 

 

 

Лесостепная зона

Кбиол

Сум. темп.

Полупустынная зона

Кбиол

Сум. темп.

Озимые колосовые (пшеница, рожь)

0.92

1500

Озимые колосовые (пшеница, рожь)

0.87

1300

Яровая пшеница

0.92

1500

Яровая пшеница

0.80

1500

Кукуруза, подсолнечник (на силос)

0.93

2100

Кукуруза на зерно

0.83

2100

Картофель поздний

0.87

1900

Картофель поздний

0.81

1900

Кормовые корнеплоды (свекла)

0.88

1900

Сахарная свекла

0.89

2700

Капуста ранняя

0.99

1500

Пожнивная кукуруза

0.83

1700

Капуста поздняя

0.98

2200

Капуста поздняя

0.92

2300

Овощные (огурцы, лук, морковь, столовая свекла)

0.84

1700

Овощные (томаты, столовая свекла и др.)

0.91

2100

Люцерна прошлых лет

0.95

2300

Подпокровная люцерна

0.78

1500

Орошаемые пастбища

0.94

2300

Люцерна прошлых лет

0.90

2900

 

 

 

Орошаемые пастбища

0.92

2900

 

Временн΄ая динамика биологического коэффициента зависит от фазы развития растения, а для кормовых трав увязывается с циклами скашивания или стравливания (поедания) скотом на культурных орошаемых пастбищах. Сопоставив динамику накопления сумм температур воздуха с величинами биологического коэффициента, можно построить временн΄ой график потенциального водопотребления, необходимый для расчета дат полива.

Продолжительность вегетации может быть оценена по накоплению сумм температур воздуха (рис. 9) и табл.5.

              Рис. 9. Сумма температур от начала водопотребления, 0С

Величины микроклиматического коэффициента КМ не существенно отличаются от единицы, за исключением больших (свыше 1000 га орошаемых участков в остро засушливой зоне, т.е. с коэффициентом увлажнения территории Ку <0,3. Конкретные величины микроклиматического коэффициента можно взять из справочника [9].

Для расчета потенциального водопотребления  растения  в зарубежной литературе предлагается формулы Х.Л. Пенмана, Л. Тюрка, Х.Ф. Блейни и В.Д. Криддла, однако они не рекомендуются  для районов орошения России с ее особенностями климатических условий без коррекции входящих в формулы эмпирических коэффициентов. Наиболее подходящей для расчета испаряемости является многократно проверенная формула Н. Н. Иванова

                                              ,                                     (32)

где E0 – испаряемость за вегетационный период; мм; i – номер декады вегетации; n – число декад; Ti и аi– среднедекадная температура (оС) и относительная влажность воздуха (%).

Надо обязательно учесть редукцию транспирации при изменении влажности почвы в корнеобитаемом слое почвы. Такая зависимость совершенно необходима при оптимизации режима орошения, главным образом направленная на сокращение поливов при незначительном снижении продуктивности растений. Без этой зависимости невозможно количественно выполнить технико-экономическое сравнение вариантов с различной степенью недоподачи или переподачи поливной воды, минимизировать промываемость почвы вертикальными потоками влаги, тем самым, уменьшить объемы дренажного стока, сократить потребность в дренаже и загрязнение рек дренажным стоком.

Зависимость для оценки снижения водопотребления растениями εw при отклонении средней в корнеобитаемом слое почвы влажности от оптимальной имеет вид (А.И. Голованов):

                                                                (33)

где Eф – фактическое водопотребление (эвапотранспирация) при отклонении влажности почвы в корнеобитаемом слое от оптимальной  Eф = εw  ;

Рис. 10. Пример снижения водопотребления – 1 и относительной урожайности – 2  растений при отклонении средней влажности в корнеобитаемом слое от оптимальной (при пористости 0,52; влажности завядания 0,143; оптимальной объемной влажности ωопт =0,256 и, соответственно, относительной оптимальной влажности  wопт= (0,256 – 0,143)/(0,5- 0,143)=0,299.

w – относительная доступная влажность в корнеобитаемом слое почвы:

                                           w = (ω – ВЗ)/(p –ВЗ);                                                      (34)

ω – средняя объемная влажность почвы;  p – пористость почвы в этом слое; ВЗ – влажность завядания, примерно равная 1,3…1.5 максимальной гигроскопичности почвы; ωopt – оптимальная для конкретной культуры влажность. На рис. 10  приведен график зависимости (33).

На этом же рисунке показана зависимость относительной продуктивности (урожайности) растений также при отклонении влажности в корнеобитаемом слое почвы от оптимальной (см. ниже).

9.2. Расчет урожайности при мелиорации

Потенциальная урожайность конкретной культуры при всех оптимальных условиях и агротехнике может быть определена по формуле

                                      U0 = ηKурQф/(qКсв)                                                      (35)

где η – коэффициент полезного использования ФАР (колеблется от 0,02 до 0,03, в зависимости от сорта); Кур – коэффициент, определяющий долю хозяйственно ценной части (урожая) в сухой биомассе; Qф – количество ФАР за вегетацию, приближенно равняется 52 % от суммарной солнечной радиации за этот же период, КДж/га; Kсв – доля сухого вещества в урожае зерна 0,86; картофеля, корнеплодов и силоса 0,3; сена 0,83; у полуперепревшего навоза 0,25; q – количество ФАР для продуцирования 1 кг сухой биомассы.

         Значения коэффициентов, входящих в формулу (35), для некоторых культур приведены в таблице 13.

Табл. 13. Распределение биомассы сельскохозяйственных культур (Левин Ф.И.)

Культура

Урожай (основная продукция)

Побочная продукция (солома, ботва)

Посту- пление в почву

Вся био-

масса

Поступление в почву, доля урожая

Затраты ФАР

на 1 кг биомасссы,

Кдж

Минимум ФАР для получения урожая, КДж/см2

Доля от всей сухой биомассы

Озима рожь

Озимая пшеница

Яровая пшеница

Ячмень

Овес

Просо

Кукуруза на зерно

Горох

Гречиха

Подсолнечник

Картофель

Сахарная свекла

Кормовые корнеплоды

Овощи

Силосные (без куку-рузы)

Кукуруза на силос

Однолетние травы (вика, горох +овес)

Многолетние травы

0,243

0,250

0,268

0,291

0,276

0,239

0,223

0,300

0,231

0,197

0,793

0,817

0,848

 

0,835

0,829

 

0,847

0,379

 

0,377

0,426

0,391

0,347

0,333

0,359

0,422

0,446

0,381

0,407

0,415

0,104

0,109

0,082

 

0,100

0,0

 

0,0

0,0

 

0,0

0,331

0,359

0,384

0,376

0,365

0,339

0,332

0,319

0,362

0,389

0,104

0,074

0,069

 

0,064

0,171

 

0,153

0,621

 

0,623

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

 

1,0

1,0

 

1,0

1,0

 

1,0

1,364

1,433

1,431

1,293

1,325

1,416

1,489

1,061

1,570

1,974

0,131

0,091

0,081

 

0,077

0,207

 

0,180

1,640

 

1,656

18860

18860

19300

19300

19350

19700

18450

19000

19360

17500

18000

18650

16120

 

16000

16050

 

16050

16000

 

17000

160…170

160…170

150…168

145…156

141…160

133…213

141…156

165…179

150…160

 

150…160

120…125

 

125…150

122…126

 

130…140

В среднем

0,612

0,175

0,213

1,0

0,349

18000

 

Показатели зональной тепловлагообеспеченности приведены в табл. 14 и 15.

В общем виде урожайность должна учитывать главные факторы роста и развития растений и ее можно представить в виде (24).

 

 

 

 

 

Табл. 14. Зональная тепло- и влагообеспеченность Европейской части России, средние годовые значения

Природные

зоны

Осад-

ки, мм

Радиаци-

онный

баланс,

КДж/см2

ФАР,

КДж/см2

Индекс

сухости

Испа-

рение,

мм

Речной сток, мм

Испаря-

емость,

мм

Коэффи-циент увлажне-ния

Тундра

Средняя тайга

Южная тайга

Широколист-

венная

Лесостепь

Степь

Сухая степь

Полупустыня

Пустыня

500

625

650

625

 

600

550

400

300

150

75

110

130

140

 

150

170

200

210

230

125

165

185

195

 

205

225

255

270

290

0,66

0,78

0,88

0,99

 

1,11

1,37

2,21

3,10

6,78

270

376

422

432

 

437

438

365

288

149

230

249

228

193

 

163

112

35

12

1

343

443

496

521

 

545

593

661

683

726

1,46

1,41

1,31

1,20

 

1,10

0,93

0,60

0,44

0.21

 

Табл. 15. Зональная тепло- и влагообеспеченность Западной Сибири, средние годовые значения

Природные

зоны

Осад-

ки, мм

Радиаци-

онный

баланс,

КДж/см2

ФАР,

КДж/см2

Индекс

сухости

Испа-

рение,

мм

Речной сток, мм

Испаря-

емость,

мм

Коэффи-циент увлажне-ния

Тундра

Северная тайга

Средняя тайга

Южная тайга

Северная лесо-

степь

Южная  лесостепь

Колочна и типич-

ная степь

Сухая степь

375

475

525

500

405

 

375

325

 

250

38

57

80

105

130

 

143

170

 

180

90

110

135

160

185

 

200

225

 

235

0,45

0,67

0,94

1,24

1,53

 

1,69

2,01

 

2,11

149

259

353

383

336

 

321

291

 

226

226

216

172

117

69

 

54

34

 

24

217

285

358

429

496

 

528

593

 

614

1,73

1,67

1,47

1,16

0,82

 

0,71

0,55

 

0,41

 

На рис. 11 приведена карта распределения солнечной радиации на Европейской части России. (Карта Родиона)

В табл.16 приведены параметры для оценки урожайности яровой пшеницы по фазам развития для обыкновенных черноземов с  пористостью 0,52; ППВ = 0,6 пористости; максимальной гигроскопичностью 0,11; влажностью завядания 0,143.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Табл. 16. Параметры для оценки урожайности яровой пшеницы по фазам  развития  (В.В. Шабанов,[13])

Фазы развития

Декады

α

wopt

ωopt

γ

ωmin=

0,5wopt

ωmin=

0,7wopt

ωmin=

0,8wopt

Выход в трубку

 

 

Колошение

 

Цветение

Налив зерна

Созревание

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,02

0,07

0,10

0,13

0,18

0,25

0,17

0,06

0,02

0,42

0,40

0,38

0,35

0,26

0,22

0.35

0,27

0,23

0,97

0,94

0,92

0,88

0,77

0,72

0,88

0,78

0,74

1,18

1,37

1,58

2,22

4,48

7,15

8,00

3,88

1,31

0,71

0,70

0,69

0,67

0,62

0,59

0,67

0,62

0,64

0,81

0,80

0,78

0,75

0,68

0,64

0,75

0,69

0,65

0,86

0,85

0,83

0,80

0,71

0,67

0,80

0,72

  0,68

В среднем за вегетацию с учетом вклада декады

 

 

0,30

0,82

4,33

0,64

0,71

0,75

Примечания к табл.9: 1.Значения влажности даны для 0,5 м слоя почвы; ωopt, доли ППВ, подсчитана по формуле (28); ωmin – предполивная влажность, соответствующая 0,5; 0,7; 0,8 оптимальной относительной влажности wopt, доли ППВ.

                                      2. Ориентировочно, средние за вегетацию значения коэффициента чувствительности растения  g  для других зерновых, корнеплодов, картофеля 5,6…5,7; для овощей, капусты – 5,3; трав – 6; хлопчатника – 5,4.

                                      3. Значение относительной оптимальной влажности wopt вычисляют по оптимальной влажности почвы для конкретной культуры в конкретном регионе с учетом водно-физических свойств почв (формула (28)).

Надо обратить внимание на то, что требования растения к увлажнению почвы существенно отличаются в разные фазы его развития. Так, в фазу цветения почва должна быть суше, а при наливе зерна – влажнее. В фазу цветения растение более чувствительно к отклонению влажности почвы от оптимальной, значение коэффициента γ в это время велико, также как и в фазу налива зерна.

Суммарное водопотребление в богарных условиях – это саморегулируемая величина, обеспечивается за счет природных факторов - запасов почвенной влаги, осадков, подпитывания грунтовыми водами. При недостаточности естественного увлажнения и иссушения почвы суммарное водопотребление может заметно снижаться, приводя к снижению продуктивности (урожайности) возделываемых сельскохозяйственных культур. Эти из зависимости можно выявить из уравнения водного баланса корнеобитаемого слоя hкос за вегетационный период:

                     Wср = Wнач + 0,75(ОсЕф  + g), мм,                                           (36)

где Wср  средние за вегетацию влагозапасы, мм; Wнач – влагозапасы, образующиеся  в корнеобитаемом слое почвы hкос при снеготаянии или в результате влагозарядковых поливов на начало вегетации; для культур весеннего сева и посадки начальная влажность ωнач  ≈ (0,85...0,95) ППВ, а для многолетних трав и насаждений∙равны ППВ; при этом Wнач = 1000hкос ωнач., мм.

Запасы влаги, соответствующие предельной полевой влагоемкости (ППВ), определяются полевыми изысканиями или ориентировочно могут быть приняты в зависимости от механического состава почвы. Для слоя 1 м они составляют в песчаных и супесчаных почвах 120...200 мм,  в среднесуглинистых – 210...280 мм,  в тяжелосуглинистых и глинистых – 290...360 мм, можно также ориентировочно считать ППВ = (0,55…0,75) пористости;  Ос – сумма атмосферных осадков за вегетацию, мм; Еф = εw – фактическая эвапотранспирация за вегетацию, сложившейся при влажности ω в корненобитаемом слое, мм;  g – водообмен с подстилающими слоями, мм.

9.3. Расчет водообмена в почве

Под водообменом понимают вертикальные потоки влаги между корнеобитаемым слоем почвы и подстилающими его слоями, в данном пособии восходящие потоки влаги обозначены как положительные (капиллярное подпитывание), а нисходящие (промываемость почвы) – как отрицательные.

         Водообмен играет решающую роль в почвообразовательном процессе, определяет нагрузку на грунтовые воды, в том числе и химическую, формирует количество и состав дренажных вод, загрязнение рек. От водообмена зависит размер оросительных норм. При большой промываемости почва обедняется питательными веществами, илистой фракцией; в гумидной зоне формируются бедные подзолистые почвы, в умеренной – солоди; но почва при этом освобождается от избыточной влаги (осушается); а в аридной зоне засоленные почвы освобождаются от избытка солей. Восходящие токи влаги способствуют увлажнению почвы, иногда – к заболачиванию, уменьшают потребность в орошении, но при минерализованных грунтовых водах приводят к засолению почв.

Водообмен в полевых условиях устанавливается путем трудоемких лизиметрических наблюдений, которые не просто перенести в другие почвенно-климатические условия.

Водообмен зависит от множества факторов: водно-физических свойств почв – пористости, максимальной гигроскопичности, высоты капиллярного подпитывания, предельной полевой влагоемкости. Особо надо обратить внимание на способ определения коэффициента фильтрации верхних слоев почвы, так как движение воды в неполностью насыщенной почве происходит только по порам микроагрегатов; крупные поры, трещины при этом не задействуются, условно такой коэффициент фильтрации называют матричным. Поэтому при расчете водообмена определять коэффициент фильтрации наливом на площадки или в кольца нельзя, так как он при этом во многом определяется проницаемостью крупных пор и трещин, т.е. его величина существенно завышается. Надо при изысканиях организовывать опытное дождевание разной интенсивности и по времени начала поверхностного стока tCТ (или образования луж на поверхности почвы) вычислять величину матричного коэффициента фильтрации, используя для этого формулу А.И. Голованова:

                                                            ,                                             (37)

где                                                   ,                                                  (38)

 начальный капиллярный напор       ,                                (39)

 расчетная влажность почвы        ,                                       (40)

 расчетный коэффициент влагопроводности  ,              (41)

расчетный коэффициент влагоемкости,                       (42)

m – пористость; ωМ – максимальная гигроскопичность;   ω0  – начальная влажность почвы; hk  – высота капиллярного подъема, м; μ – эмпирический коэффициент, принят равным 1, kМ  - матричный коэффициент фильтрации, м/сут; q – интенсивность дождевания, м/сут

На рис. 12 приведена номограмма для оценки так называемого «базового» водообмена, т.е. на фоне глубоких грунтовых вод (>3…4 м), при величине матричного коэффициента фильтрации (т.е. без учета макропор, червороин, трещин и т.п.), равного 0,15 м/сут и при длительности вегетационного периода Твег равном 130 суток, цифры у кривых означают относительные величины предполивной влажности :

                                        .                                          (43)

На рис. 12 водообмен поставлен в зависимость от дефицита увлажнения культуры за вегетационный период Дк =КБ Е0Ос, который отличается от дефицита атмосферного увлажнения, в котором не учтены биологические особенности возделываемой культуры: Д = Е0Ос.

Направление и величина водообмена существенно зависят от глубины уровня грунтовых вод. В качестве примера на рис. 13 приведена номограмма для величин «базового» водообмена в зависимости от приведенной глубины грунтовых вод    при дефиците атмосферного увлажнения 400 мм за теплый период и при разной предполивной влажности.

Рис. 12. Номограмма для расчета «базового» водообмена

 

                                     Относительная глубина грунтовых вод

Рис. 13. Базовый водообмен при дефиците увлажнения 400 мм,  мм/сут (kM = 0,15 м/сут,  продолжительность вегетационного периода Твег=130 сут), цифры у кривых – относительные значения предполивной влажности

Зависимость водообмена от глубины грунтовых вод описывается примерной зависимостью

                                              (44)

где - максимальный положительный водообмен, т.е. скорость капиллярного подпитывания, мм/сут, зависящая от дефицита атмосферного увлажнения Д;– минимальный нисходящий водообмен при глубоких грунтовых водах, снимается с номограмм 12 и 13; коэффициент .

Из рис. 13 видно, что кривые пересекают линию с нулевым водообменном на разной глубине в зависимости от капиллярных свойств грунтов и предполивной влажности.

При расчете номограмм принято, что относительной предполивной влажности   примерно соответствуют следующие величины влажности в долях от предельной полевой влагоемкости (ППВ):

                                                   доли ППВ 

                                     0,250                  0,615

                                     0,275                  0,645

                                     0,300                  0,675

                                     0,325                  0,710

                                     0,350                  0,740

Переход к другой величине матричного коэффициента фильтрации осуществляется по формуле (45):

                                                      ,                                            (45)

где kМ – среднее значение матричного коэффициента фильтрации во всей зоне аэрации.

Влияние на водообмен продолжительности вегетации, отличной от 130 сут, Tвег учитывается формулой

                                                ,                                            (46)

Оба эти фактора – коэффициент фильтрации и  продолжительность вегетации можно учесть, соединив формулы (45) и (46):

                                           .                             (47)

Водообмен за год отличается от водообмена за вегетационный период:

                                           .                             (48)

В богарных условиях естественный водообмен можно оценить по данным местного стока в межень (табл. 17).или по карте на рис.6.

Табл. 17. Среднемноголетние величины местного годового слоя стока, стока весеннего половодья и межени (по Картам изолиний стока 1986 г.)

Природная зона

Местоположение

Норма годового местного речного стока, мм

Норма стока весеннего половодья, мм

Норма меженнего стока, мм

Лесостепь

Степь

 

Сухая степь

 

 

 

Полупустыня

Тула

Орел

Курск

Воронеж

Саратов

Ставрополь

Котельниково

Палласовка

175

158

126

114

57

57

32

16

95

86

70

60

38

8

15

10

80

72

56

54

19

49

17

6

Отметим, что приведенная здесь норма меженнего стока соответствует осредненному подземному питанию местных рек со всех элементов водосбора. Водообмен на возвышенных фациях будет несколько большим. Обращает на себя отчетливая зональность подземного питания, которая в полупустыни практически отсутствует, а в Центре Европейской части России, в лесостепной зоне она увеличивается. Очевидно, что орошение всегда приводит к росту приходной статьи водного баланса, т.к. его целью является увеличение влажности почвы до нужного уровня, и поэтому при орошении водообмен обязательно превысит бытовой (табл. 18).

Табл. 18. Зависимость промываемости почвы от дефицита атмосферного увлажнения

 

Дефицит атмосферного увлажнения, мм

Водообмен при орошении, мм

Водообмен без орошения, мм

За вегегацию (130 сут)

За год

За год

150

200

250

400

550

700

–96

–81

–56

–32

–22

–14

–138

–136

–135

–86

–58

–42

–74

–68

–65

–16

–11

–7

 

С юга на север значительно увеличивается доля оросительной нормы, идущая на промываемость почвы, т. е. бесполезная трата поливной воды, приводящая к тому же и к известным экологическим проблемам.

Водообмен во многом зависит от поддерживаемой в корнеобитаемой зоне влажности, которой можно управлять, назначая порог предполивной влажности (табл. 19).

Табл. 19. Базовые значения среднемноголетних оросительных норм в зависимости от дефицита естественной увлажненности территории за теплый период (>50C) и предполивной влажности на фоне глубоких грунтовых вод

Дефицит естественного увлажнения, за теплый период,

мм

Оросительная норма, мм, при предполивной влажности в долях ППВ

Промываемость за вегетацию и за год (курсив), мм

Доля промываемости в  оросительной норме

0,650

0,675

0,700

0,735

0,650

0,675

0,700

0,735

0,650

0,675

0,700

0,735

150

 

200

 

250

 

400

 

550

 

700

194

 

217

 

262

 

338

 

432

 

532

230

 

263

 

303

 

384

 

478

 

576

283

 

306

 

354

 

430

 

524

 

622

337

 

362

 

405

 

485

 

582

 

678

78

148

71

136

56

135

32

86

22

58

14

42

98

167

83

157

73

146

58

120

43

87

32

68

128

216

121

211

112

196

91

158

72

124

60

101

173

262

164

256

154

248

132

207

118

177

102

151

0,40

 

0,33

 

0,21

 

0,09

 

0,05

 

0,03

0,43

 

0,32

 

0,24

 

0.15

 

0,09

 

0,06

0,45

 

0,34

 

0,32

 

0,21

 

0,14

 

0,10

0,51

 

0,45

 

0,38

 

0,27

 

0,20

 

0,16

Из этой таблицы видно, что на юге Московской области при дефиците атмосферного увлажнения около 150 мм за теплый период  даже при низком пороге предполивной влажности до 40% оросительной воды бесполезно просачивается вниз. Отсюда следует практический вывод, что в зоне серых лесных и подзолистых почв (изначально сформировавшихся при промывном водном режиме) орошать возвышенные хорошо промываемые фации бесполезно, орошение в этих зонах целесообразно проводить на фоне неглубоких грунтовых вод, например, в поймах рек, что обычно и практикуется.

9.4. Оценка урожайности в богарных условиях

При оценке инвестиционных проектов в мелиорацию [Методика…] требуется рассмотреть альтернативные варианты: без мелиорации и с мелиорацией. Их подмена ситуациями до мелиорации и после мелиорации неправомерна, так как ставит их в разные условия по уровню развития земледелии, агротехники, экономики и проч. Рассмотрим  в качестве примера выращивание яровой пшеницы в условиях Воронежской обл. в современных богарных условиях и в условиях орошения.

В табл. 20 приведены погодные условия 20-ти летнего вегетационного периода длительностью 90 суток для яровой пшеницы и 180 суток – для люцерны. Средний за вегетацию биологический коэффициент для яровой пшеницы принят равным 0,83, люцерны – 0,91.

 

         Табл. 20. Сводные данные о погодных условиях (м.ст. Воронеж)

Годы

Яровая пшеница, 110 суток

Люцерна, 180 суток

Осадки

Кб*Е

Дефицит

Осадки

Кб*Е

Дефицит

1966

1967

1968

1969

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

Среднее

241

140

104

117

174

142

225

139

298

163

182

134

178

186

241

224

96

151

158

222

176

329

349

420

423

522

338

265

544

234

304

282

420

310

418

248

318

490

378

439

344

369

88

209

316

306

348

196

40

405

-64

141

100

286

132

232

6

94

394

227

281

122

193

349

266

299

244

240

236

266

252

406

246

317

251

349

251

308

286

203

272

327

408

289

567

595

632

717

996

541

588

833

416

525

509

681

483

701

495

578

755

658

736

528

627

218

329

333

473

756

305

322

581

10

279

192

430

134

450

187

292

552

386

409

120

338

 

В табл. 21. приводятся сгруппированные по 5 лет сухие, средне сухие, средние, средне влажные, влажные годы, а также средние за все 20 лет наблюдений. Запасы влаги в 0,5 м слое почвы на начало вегетации приняты одинаковыми и соответствующими 0,9 ППВ. Водно-физические свойства почвы приведены выше. Годовой водообмен в богарных условиях принят равным 54 мм или 13 мм за вегетацию (табл. 17). В табл. 21 для каждой группы лет подбором по формуле (49) находим величину редукционного коэффициента εw , которая обеспечивает средние за вегетацию влагозапасы в 0,5 м слое, соответствующие формуле (33), затем, зная величину w/wopt, по формулам (25, 26) вычисляем относительную урожайность. Так как за 20 лет 2 года дефицит увлажнения культуры отсутствует, то во влажные годы относительная урожайность близка к единице; в сухие годы урожайность снижается до 0,2 от максимальной, а в среднем за 20 лет она составляет 0,45 от максимальной, что соответствует действительности.

Табл. 21. Пример расчета урожайности яровой пшеницы на богарных землях Воронежской обл.

Увлажненность

лет

Годы

За вегетацию, мм

Нач.

зап, мм

g

вег,

мм

εW

Е факт, мм

Средн зап.,

мм

Отн. уро-жай

Ос

Кб*Е0

Сухие

Средне сухие

Средние

Средне влажные

Влажные

Средние за 20 лет

73;82;77;68

70;84;69;83

67;71;79;75

81;76;66;78

85;72;74;80

66 - 85

84

138

136

161

213

146

388

344

281

247

221

296

140

140

140

140

140

140

-13

-13

-13

-13

-13

-13

0,373

0,552

0,648

0,793

0,982

0,649

144

190

191

196

217

192

85

91

89

104

127

96

0,197

0,346

0,452

0,642

0,962

0,453

 

В табл. 22 приведен аналогичный пример расчета урожайности люцерны на сено, продолжительность вегетации составляет 180 сут, водообмен за этот период составит –54/365·180 =–27 мм (табл. 17); оптимальная влажность принята равной 0,85ППВ, коэффициент чувствительности люцерны к влажности почвы принят равным γ = 6 (табл. 16);  мощность корнеобитаемого слоя HКОС = 1 м.

 

 

 

 

Табл. 22. Пример расчета урожайности люцерны на богарных землях Воронежской обл.

Увлажненность

лет

Годы

За вегетацию, мм

Нач.

зап, мм

g

вег,

мм

εW

Е факт, мм

Средн зап.,

мм

Отн. уро-жай

Ос

Кб*Е0

Сухие

Средне сухие

Средние

Средне влажные

Влажные

Средние за 20 лет

73;82;77;68

70;84;69;83

67;71;79;75

81;76;66;78

85;72;74;80

66 - 85

235

275

270

300

368

289

 

825

694

589

545

481

627

265

265

265

265

265

265

-29

-29

-29

-29

-29

-29

0,399

0,515

0,583

0,665

0,832

0,580

329

357

343

362

400

363

173

182

188

196

219

188

0,090

0,166

0,228

0,319

0,579

0,226

 

В Воронежской обл. количество ФАР за вегетационный период яровой пшеницы примерно равно 200 КДж/см2, это обеспечивает потенциальный урожай  кг/га или 6,7 т/га. В богарных условиях урожай яровой пшеницы в средние годы при хорошей агротехнике может доходить до 6,7·0,45=3 т/га, что соответствует реальным условиям.

Потенциальная урожайность сена люцерны при длительности вегетации 180 сут и доступном количестве ФАР 240 КДж/см2 в Воронежской обл. может составить кг/га или 12,8 т/га.  Без орошения эта влаголюбивая культура дает меньший урожай, чем яровая пшеница. В сухие годы он не превышает 12,8·0,09=1,2 т/га, а во влажные годы тоже невелик и составляет 12,8·0, 579=7,4 т/га, в среднем без орошения получают сена люцерны около 12,8·0,226=3 т/га (например, в засушливых условиях юга Украины получают около 3,8…4 т/га), т.е. люцерна отзывчива на орошение.

 

9.5. Расчет оросительных норм

Для расчета оросительных норм М используется уравнение водного баланса корнеобитаемого слоя за вегетационный период. Его удобно записывать для средних за вегетацию величин влагозапасов в корнеобитаемом слое:

                     Wср = Wнач + 0,75(Ос + МЕф  + g), мм.                                   (49)

Так как водообмен и урожайность зависят от предполивной влажности (см. номограмму на рис. 12,) то ее обоснование становится важным для выполнения экологических требований, прежде всего в смысле минимизации промывного режима. Покажем это на примере полива яровой пшеницы. Для условий Воронежской обл. дефицит увлажнения культуры равен 193 мм, при длительности вегетации 90 сут и при биологическом коэффициенте равном 0,83 (табл. 12 и 20).

Уровень грунтовых вод на участке глубокий и превышает 8 м, почва – южный чернозем тяжелосуглинистый с матричным коэффициентом фильтрации КМ = 0,15 м/сут; пористость p = 0,52, максимальная гигроскопичность ωМ =0,11; влажность завядания ВЗ = 0,1485 объема; ППВ =0,6 пористости или 0,312 объема, высота капиллярного подъема HК = 2 м, мощность корнеобитаемого слоя принята постоянной и равной глубине увлажнения HКОС = 0,5 м; оптимальная влажность для яровой пшеницы  ωopt =0,82*0,6*0,52=0,256 объема, поливная норма принята равной m = 50 мм.

Примем величину относительной предполивной влажности  = 0,250, что по формуле (43) соответствует объемной влажности ωПП =  (pwМ) + wМ = 0,2125 или 0,68 ППВ. Для такой влажности и при дефиците увлажнения культуры 193 мм базовый водообмен (рис. 12) равен –0,28 мм/сут, знак минус означает нисходящий поток почвенной влаги. За вегетацию, равную 110 сут, он составит = –30 мм (см. формулу (46)). При поливной норме m=50 мм средняя за вегетацию влажность в корнеобитаемом слое составит:

                           ωср = ωПП +1/3m/Hкос = 0,2125+50/3/500 = 0,246,               (49)

а относительная доступная влажность w=(ωср – ВЗ)/(р – ВЗ) = 0,262, ей соответствует редукция транспирации εw = 0,995 (формула (33)), фактическая транспирация 367 мм и относительная урожайность (формула (25)) 0,991, что вполне приемлемо. Уменьшение поливной нормы до 40 мм снижает среднюю за вегетацию влажность почвы в корнеобитаемом слое до 0,239; редукцию транспирации до 0,987, что приводит к уменьшению транспирации до 364 мм за вегетацию и относительной урожайности до 0,978. Этот вариант тоже приемлем, но влечет за собой увеличение числа поливов.

         Оросительную норму для среднего по погодным условиям (осадки за вегетацию 146 мм, потенциальная транспирация с учетом биологического коэффициента 369 мм, водообмен за вегетацию –29 мм, начальные влагозапасы 140 мм, средние за вегетацию влагозапасы в 0,5 м слое Wср =0,246*500 =123 мм) определим из баланса влаги (26):

М=0,75(WсрWнач)–ОсWКбE0g=0,75(123 – 140) – 176 + 0,995*369 + 30 = 198 мм, а при уменьшении поливной нормы с 50 до 40 мм оросительная норма несколько уменьшится – до 196 мм, что будет сопровождаться незначительным снижением урожайности – на 1,5%.

         Используя данные о погодных условиях за 20 лет (табл. 20), подсчитаем оросительную норму для каждого из этих лет при поливной норме 50 мм и полагая, что водообмен незначительно отличается в эти годы от среднего из-за инерционности почвенных процессов. Расчет сведем в табл. 23.

Табл. 23. Расчет годовых значений оросительных норм для яровой пшеницы в Воронежской обл.

Годы

Wнач

Wср

Ос

Кб*Е0

εW

Е факт, мм

g вег,

мм

Оросительная норма М, мм

1966

1967

1968

1969

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

Среднее

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

140

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

241

140

104

117

174

142

225

139

298

163

182

134

178

186

241

224

96

151

158

222

176

329

349

420

423

522

338

265

544

234

304

282

420

310

418

248

318

490

378

439

344

369

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

0,995

328

347

418

421

519

336

263

541

233

303

280

417

308

416

246

316

488

376

437

343

367

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

-30

93

213

320

310

351

200

44

408

-59

146

104

289

136

236

11

98

398

231

285

127

198

 

Оросительная норма 50% обеспеченности равна 216 мм, 75 % – 289 мм, а 90 % – 351 мм. Обращает на себя внимание, что в течение двух лет  (1974 и 1980 гг) поливы яровой пшеницы не требуются.

Расчет оросительных норм люцерны: продолжительность вегетации 180 сут, дефицит увлажнения культуры (табл. 20) ДК=338 мм (при биологическом коэффициенте равном 0,91), и относительной предполивной влажности  = 0,325 или 0,78 ППВ средняя за вегетацию влажность почвы в корнеобитаемом слое 1 м при поливной норме 70 мм составит 0,266, а относительная доступная влажность w=(ωср – ВЗ)/(р – ВЗ) = 0,316. Оптимальная влажность для люцерны принята 0,85ППВ или 0,265 объема, относительная доступная влага должна быть равной wopt =(0,265 – 0,1485)/(0,52 – 0,1485)= 0,314.  Для такой влажности редукция эвапотранспирации составит εw = 1,0,  а относительная урожайность при коэффициенте чувствительности γ=6 по формуле (9) равна 1,0. Среднемноголетний базовый водообмен при глубоких грунтовых водах  и заданной предполивной влажности 0,325 составит –0,72*(180/130)0,25 180 = –140 мм по номограмме (рис. 12).

Это значительная величина, поэтому понижаем предполивную влажность до 0,71 ППВ или  = 0,275, за счет этого водообмен (промываемость) уменьшится до –53 мм за вегетацию или на 87 мм (практически на один полив). Но и урожайность тоже снизится до 0,962 за счет снижения влажности почвы. Такие потери урожайности вместе с экономией поливной воды и сокращением капитальных и эксплуатационных затрат нужно обосновывать технико-экономическим сравнением вариантов с учетом компенсации на восстановление плодородия и прочих затрат для компенсации ущерба окружающей среде.

Среднемноголетнюю оросительную норму орошения люцерны определим из формулы (50) при предполивной влажности 0,78 ППВ

                       Wср = Wнач + 0,75(Ос + МЕф  + g), мм.                                 (50)

приняв начальные влагозапасы в метровом слое Wнач= 265 мм, средние осадки за вегетацию 289 мм, потенциальную испаряемость люцерны 627 мм. При относительной предполивной влажности   = 0,325, средних за вегетацию влагозапасах в корнеобитаемом слое Wср = 0,266·1000= 266 мм редукции эвапотранспирации εw = 1,0 и при водобмене g = –140 мм оросительная норма составит:

                        М = 4/3(WсрWнач)–Осw·Kб E0g =

                =4/3(266–265)–289+1,0·627 +140 = 479 мм,

а при относительной предполивной влажности  = 0,275; Wср = 246 мм; εw = 0,985 и при водообмене g = –53 мм оросительная норма уменьшится до М = 357 мм или на 122 мм, что сопровождается снижением урожайности на 4%. Значения оросительных норм люцерны за 20 лет приведены в табл. 24. Оросительная норма 50% обеспеченности равна 345 мм, 75 % – 470 мм, а 90 % – 596 мм.

Табл. 24. Расчет годовых значений оросительных норм для люцерны в Воронежской обл.

Годы

Wнач

Wср

Ос

Кб*Е0

εW

Е факт, мм

g вег,

мм

 

Оросительная норма М, мм

1966

1967

1968

1969

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

Среднее

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

265

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

256

349

266

299

244

240

247

266

252

406

246

317

251

349

251

308

286

203

272

327

408

289

567

595

632

717

996

541

588

833

416

525

509

681

483

701

495

578

755

658

736

528

627

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

0,985

559

586

623

706

981

533

579

821

410

517

501

671

476

691

487

569

744

649

725

520

617

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

-53

238

348

351

490

768

325

341

597

31

299

212

448

155

468

207

311

569

404

426

140

357

 

9.6. Расчет динамики гумуса до мелиорации

Почва способна на некоторое время извлекать из биологического круговорота продукты фотосинтеза  в виде гумуса – сложного органоминерального вещества, активно участвующего в почвообразовании, придающего почве нужные свойства, аккумулирующего питательные вещества и, в конечном счете, формирующего плодородие почвы. Запасы гумуса наибольшие в ландшафтах, оптимально обеспеченных теплом и влагой. В Росси - это черноземные степи, где запасы гумуса во всем профиле достигают 600…1000 т/га, в почвах лесостепей и широколиственных лесов - около 300, в таежных подзолистых почвах - около 100 т/га.

Гумус образуется в процессе гумификации – сложного, до конца не изученного биохимического процесса, в результате которого часть органических остатков превращается в специфические органические соединения – гумусовое вещество в виде смеси высокомолекулярных азотосодержащих соединений с содержанием углерода 36…62 % в разных фракциях и азота 2,5…5 %. Этот процесс характеризуют коэффициентом гумификации Кгум, равном доле углерода органических остатков, включившихся в состав гумусовых веществ при полном их разложении (табл. 25).

Табл. 25. Доля  углерода и коэффициенты гумификации в растительных остатках (А.М. Лыков)

Культура

Кс

Кгум

Люцерна всех лет

Кукуруза на зерно

Кукуруза пожнивная

Сахарная свекла, картофель

Озимая пшеница

Озимый ячмень

Навоз полуперепревший

0,405

0,357

0,370

0,397

0,348

0,350

0,500

0,25

0,15

0,15

0,08

0,25

0,25

0,30

            При мелиорации и последующем использовании земель в сельском хозяйстве надо рассчитывать динамику накопления или сработки запасов гумуса, особенно при распашке, орошении или осушении, при борьбе с эрозией почвы, приводящей к смыву  или сдуванию гумуса вместе с почвенными частицами. Изменение запасов гумуса приближенно можно описать дифференциальным уравнением

                                                        dG/dt =A –BG, т/(гагод),                                   (51)

или после интегрирования за t лет

                                                       G = A/B + (G0A/B)exp(-Bt).                              (52)

где G – текущие запасы гумуса, т/га; G0 – то же, начальные;  А – темпы образования нового гумуса Gнов, т/(га·год), при минерализации растительных остатков или органических удобрений Gуд, в том числе и сидератов, а также потери гумуса Вым при нисходящих токах влаги: А = Gнов + GудВым.

Достоинство формулы (52) в том, что она позволяет учитывать динамику накопления или разложения гумуса, протекающую с переменной скоростью, что не позволяют обычные балансовые уравнения, которые непозволительно экстраполируют эти процессы.

Новообразованный из растительных остатков и из органических удобрений гумус можно рассчитать по эквивалентному содержанию углерода:

             Gнов = 1,724KгумКсБро, т/(га∙год);    Gуд = 1,724KгумКсКсвДн, т/(га∙год)         (53)

где 1,724 – коэффициент, учитывающий долю углерода в гумусе 1/0,58=1,724; Кгум – коэффициент гумификации растительных остатков или навоза (табл. 15); Кс – доля углерода в сухой биомассе или в навозе (табл. 15); Бро – сухая биомасса  растительных остатков, при известном урожае Uф, кг/(га∙год):

                                        Бро = UфКсв(1–Кур)/Кур, т/(га·год);                                     (54)

Ксв  доля сухой массы в урожае, в навозе или в сидератах;  Дн – ежегодная доза навоза или запахиваемых сидератах, т/(га∙год). Для ориентировочных расчетов можно принимать, что 1 т биомассы в среднем дает 120, а 1т навоза – 50…70 кг нового гумуса.

Вымыв гумуса можно оценить, зная его содержание в почвенной влаге, при этом растворяется подвижная фракция гумуса в виде фульвокислот. Концентрация фульвокислот в почвенной влаге зависит от щелочности почвы или от содержания натрия в почвенном поглощающем комплексе (от степени осолонцевания):

      Na в ППК, %                                    0        2        4        6        8        10      15      20

      Растворимость гумуса Сг, кг/м3   0,35   0,42   0,55   0,62   0,70   0,85   1,22   2,15

Вымыв гумуса                                 Вым = 0,01gСг, т/(га∙год),                               (55)

где g – ежегодная промываемость почвы в мм. При промываемости подзолистых почв южной тайги равной 100…140 мм/год, вымыв гумуса может составить 0,35…0,49 т/(га∙год). Это является одной из причин малогумусности этих почв, в которых гумуса в 1 м слое содержится около 100 т/га, тогда как в типичных черноземах – до 700 т/га.

            Коэффициент В в формулах (51), (52) учитывает разложение или минерализацию гумуса Вмин, а также его потери Вэр при эрозии: В = Вмин + Вэр, год-1. Скорость минерализации гумуса и его потери, кг/(га∙год), зависят от наличия гумуса, поэтому эта составляющая баланса гумуса в уравнении (51) имеет вид произведения BG. При постоянстве коэффициента В разложение гумуса со временем затухает.

Скорость минерализации зависит от тепло- и влагообеспеченности территории, предопределяющей интенсивность биохимических процессов. В северных районах разложение идет медленней, чем в южных, на его скорость влияет высокая влажность почвы и низкая температура. При переувлажнении разложение приостанавливается, вместо окислительных идут процессы гниения и консервации растительных остатков, наблюдается торфообразование. На юге в полупустынях и сухих субтропиках гумус почти не накапливается из-за быстрого и глубокого разложения органики, в предгорьях образуются малогумусные плодородные сероземы, очень отзывчивые на орошение. Минерализованный гумус пополняет запасы азота и фосфора в почве, но в большей степени он обогащает почвенный воздух углекислым газом, способствуя развитию микроорганизмов.

            В величину В должны также входить смыв и выдувание гумуса при водной и ветровой эрозии, так как количество смытого или вынесенного ветром гумуса зависит от массы удаленной почвы и от содержания гумуса в ней, т.е. В = Вмин + Вэр.

            Коэффициент Вэр связан с интенсивностью эрозии. Почвы считаются слабо эродируемыми при ежегодном смыве Wэр = 3 т/(га∙год); средне – до 10; сильно эродируемыми при смыве более 20 т/(га∙год). При массе удаленной почвы Wэр, т/(га∙год) и содержании гумуса G, т/га в слое h, м с плотностью γ, т/м3, ежегодный его смыв водой и вынос ветром Gэр = 0,0001WэрG/(γh). Например, в слое h = 0,2 м при содержании гумуса 6 %  или 0,06 массы сухой почвы масса гумуса равна G = 0,06·1,2·0,2·10000 = 144 т/га. При ежегодной потере почвы 20 т/(га∙год) вынос гумуса составит Gэр = 0,0001·20·144/1,2/0,2 = 1,2 т/(га∙год), а при содержании гумуса 4 %  или 96 т/га – 0,8 т/(га∙год). Коэффициент Вэр = 0,0001Wэр/(γh), для слабо эродируемых почв он равен 0,0001∙3/1.2/0,2 = 0,00125 год-1, для средне эродируемых 0,00417, сильно эродируемых 0,00833 год-1.

            Наиболее трудно определимым является коэффициент скорости минерализации Вмин. Для его определения проинтегрируем уравнение (51) при начальном условии t = 0; G = G0:

                                               G = A/B + (G0A/B)exp(–Bt).                                      (56)

Действительно, при t = 0; G = G0, а при   GA/B при любом начальном содержании гумуса, т.е. со временем наступает равновесие между приходом новообразованного гумуса и его минерализацией, вымывом, смывом и выносом ветром. Время стабилизации исчисляют несколькими сотнями лет, основная сработка гумуса происходит в пахотном горизонте. В табл. 26 приведена оценка значения коэффициента скорости минерализации гумуса Вмин по установившимся запасам гумуса в слое 0-20 см (по данным И.В. Тюрина) с учетом его вымывания нисходящими токами влаги. Вынос гумуса вследствие эрозии не учтен, так как предполагается, что при первоначальном накоплении гумуса поверхность почвы не распахана и защищена растительным покровом. Значения коэффициента Вмин изменяются в соответствии с условиями минерализации гумуса, для черноземов он примерно равен 0,01 год-1, севернее и южнее его значения уменьшаются.

Табл. 26. Расчет коэффициента скорости минерализации гумуса Вмин

Зона, почвы

Запасы

гумуса,

т/га

Опад,

т/(га∙год)

Новый

гумус,

т/(га∙год)

Промы-ваемость, мм

Вымыв

гумуса,

т/(га∙год)

А,

т/(га∙год)

 

Вмин=А/G, год-1

Среднняя тага, подзолистые

Южная тайга, дерновоподзолистые

Широколиственная, серые лесные

Лесостепь, выщелоченные черноземы

Степь, типичные черноземы

            обыкновенные черноземы

Сухая степь, каштановые

Полупустыня, бурые

Пустыня, серо-бурые

53

 

75

 

109

 

192

 

224

 

137

 

99

 

37

15

5

 

8

 

12

 

19

 

15

 

14

 

7

 

2

0.7

0,60

 

0,96

 

1,44

 

2,28

 

1,80

 

1,68

 

0,84

 

0,24

0,08

125

 

114

 

97

 

82

 

56

 

45

 

17

 

6

0

0,438

 

0,399

 

0,340

 

0,287

 

0,196

 

0,158

 

0,060

 

0,021

0

0,163

 

0,561

 

1,101

 

1,993

 

1,604

 

1,523

 

0,781

 

0,219

0,084

0,0031

 

0,0075

 

0,0101

 

0,0104

 

0,0072

 

0,0111

 

0,0079

 

0,0059

0,0056

В лесной зоне подзолистых почв при значительном количестве новообразованного гумуса из-за сильной промываемости скорость накопления гумуса мала, также как и в полупустынной зоне бурых почв из-за малого количества новообразованного гумуса.

Главной причиной сработки запасов гумуса считают отчуждение значительной части (около половины) биомассы с урожаем, которое не компенсируется органическими удобрениями, несмотря на то, что продукция надземной части растет за счет урожайных сортов, а также эрозия почвы, табл. 27

Табл. 27. Сработка запасов гумуса черноземов за 100 лет в слое 0…30 см

Черноземы

Запасы гумуса/ т/га

Поступление нового гумуса, т/(га∙год)

 

1881 г.

1981 г.

1881 г.

1981 г.

Выщелоченные

Типичные

Обыкновенные

255

345

240

165

230

155

2,55

3,45

2,40

1,65

2,30

1,55

         По данным Ф.И. Левина в настоящее время растительные остатки севооборота образовывают новый гумус в подзолистых почвах 0,4 т/(га·год); в дерново-подзолистых 0,6; в серых лесных  – 0,8; в выщелоченных черноземах – 1,0; в типичных – 1,2; в обыкновенных – 1,0; в каштановых – 0,8; в бурых – около 0,3  т/(га·год).

         На рис. 14 приведена динамика накопления гумуса обыкновенных черноземов в 0,20 см слое в естественных условиях степей, когда при массе растительного опада 14 т/(га∙год) поступление нового гумуса с учетом вымыва составляло А0 = 1,5 т/(га∙год), обеспечившего за длительное время (600…800 лет) накопление гумуса с установившимися запасами G0 = 1,5/0,01 = 150 т/га гумуса в 20 см слое или 225 т/га в 30 см слое (табл. 21). При последующей распашке поступление гумуса сократилось до А1 = 1 т/га /год, т.е. на 1/3 и почвы подверглись средней эрозии ( коэффициент В увеличился с В0 = 0,010 до В1 = 0,015 год-1). Видно, что самая интенсивная сработка (накопление запасов <0) идет в первый год со скоростью А1 В1G0 = 1,25 т/(га∙год), через 50 лет она уменьшается до B1(G0A1/B1)exp(-B1t) = 0,59 т/(га∙год).

Рис. 14. Накопление гумуса в обыкновенных черноземах при естественных условиях и последующей распашке и эрозии.

 

Так как темпы накопления или сработки запасов гумуса во времени затухают, то простым балансовым уравнением пользоваться нельзя.

Усредненные по экономическим районам темпы сработки гумуса приведены в табл. 28 (И.П. Айдаров), которая показывает, что совершенствование ведения сельского хозяйства: улучшение агротехники, рост урожайности и применяемых удобрений, борьба с эрозией до 1990 года приводили к уменьшению темпов сработки гумуса, но еще не остановили этот процесс. После экономической реформы и резкого упадка сельского хозяйства скорость сработки гумуса опять увеличилась.

Табл. 28. Темпы сработки запасов гумуса на пашне по экономическим районам, т/(га∙год) (по данным И.П. Айдарова)

Экономические районы

1967-71 г.г.

1981-85 г

1986-90г.г.

1995 г.

2000 г.

Северный

Северо-Западный

Центральный

Волго-Вятский

Центрально-Черноземный

Поволжский

Северо-Кавказский

0,31

0,30

0,34

0,52

0,80

 

0,68

0,88

0,31

0,37

0,19

0,29

0,34

 

0,50

0,56

0,55

0,47

0,19

0,20

0,51

 

0,50

0,72

0,26

0,42

0,60

0,53

0,68

 

0,65

0,95

0,31

0,50

0,71

0,63

0,80

 

0,77

1,12

 

 

9.7. Баланс гумуса на орошаемых землях

С помощью приведенных выше формул оценим динамику запасов гумуса под влиянием сельскохозяйственной деятельности в почвах Воронежской области до и после орошения.. До массовой распашки (1890 г.) установившиеся запасы гумуса в 20 см слое обыкновенных черноземов составляли 137 т/га, а в 30 см слое – 205 т/га при суммарном поступлении нового гумуса А = 1,52 т/(га×год) и скорости его сработки за счет минерализации В = 0,0111 год-1 (табл. 26).

После распашки, как показали вышеприведенные расчеты, урожайность яровой пшеницы без орошения (табл. 21) составляла 0,453 от потенциальной 6,7 т/га, или Uф = 3 т/га. При этом сухая биомасса растительных остатков, поступающая в почву была равна Бро = 3∙0,86∙1,43=3,7 т/(га·год). Она давала новообразованный гумус в количестве  Gнов = 1,724·0,25·0,348·3,7 = 0,55 т/га×год. Вымыв гумуса при годовой промываемости почвы 54 мм в естественных условиях (табл. 17) был Вым = 0,01·54·0,35 = 0,19 т/(га×год). При внесении полуперепревшего навоза в размере 10 т/(га×год) и при содержании в нем сухого вещества Ксв = 0,25 образовывался новый гумус в количестве Gуд = 1,724·0,5·0,3·0,25∙10 = 0,65 т/га×год. Ежегодно после яровой пшеницы в почву до орошения поступало А1 = 0,55 + 0,65 – 0,19 = 1,0 т/га новообразованного гумуса.

После люцерны при фактическом урожае (табл. 22) 0,226·12,8 = 2,9 т/га в почву ежегодно поступало 2,9∙0,83∙1,656=4,0 т/га растительных остатков, которые образовывали новый гумус в количестве Gнов =1,724∙0,25∙0,405∙4,0 = 0,70 т/га. Вымыв гумуса с поля, занятого люцерной был 0,01∙54∙0,35 = 0,19 т/(га×год). После люцерны навоз не вносили, поэтому всего гумуса после люцерны в почву поступало А2 = 0,7 – 0,19 = 0,51т/(га·год).

В среднем, с учетом плодосмена нового гумуса в год поступало А = 0,5∙(1,0 + 0,52) = 0,76 т/га. После распашки почва подвергалась эрозии. Для слабо эродируемых почв коэффициент Вэр = 0,00125  год-1 (см. выше), а общий коэффициент скорости минерализации гумуса В = 0,0111 + 0,00125 = 0,01235 год-1 или современное среднегодовое изменение запасов гумуса будет равно АBG = 0,76 – 0,01235*137= – 0,93 т/(га·год) (см. формулу 51). При длительной распашке без орошения запасы гумуса стабилизируются на уровне Gуст = А/В = 62 т/га в пахотном слое толщиной 20 см, т.е. могут сократиться со 137 до 62 т/га, а за 100 лет запасы гумуса в 20 см слое уменьшатся до G = A/B + (G0A/B)exp(-Bt) = 0,76/0,01235 + (137 – 0,76/0,01235)exp(-0,01235∙100) = 84 т/га или до 126 т/га в 30 см слое, что близко к фактическим запасам гумуса в 1981 г., равным 155 т/га (табл. 27). Иными словами, до распашки степей запасы гумуса в обыкновенном черноземе составляли 225 т/га (в 20 см слое), после распашки за 100 лет уменьшились до 126 т/га или срабатывались со скоростью 1 т/(га·год), что подтверждается расчетом.

Если же, начиная с 1991 года, организовать орошение при оптимальной предполивной влажности,  ликвидировать эрозию и сохранить дозу органических удобрений под посев яровой пшеницы, то при ее урожае 0,992∙6,7=6,6 т/га поступающих в почву  растительных остатков в год станет 8,1 т/га, из которых образуется новый гумус 1,21 т/га, от навоза поступление гумуса в год составит 0,65 г/га. При орошении возрастет годовая промываемость почвы до 60мм  и соответственно годовой вымыв гумуса достигнет 0,21 т/га. Всего поступление гумуса с поля с яровой пшеницей составит А1 = 1,21+0,65–0,21=1,65 г/(га·год).

Относительная урожайность люцерны также возрастет до 0,962. Это приведет к поступлению нового гумуса в размере 2,8 т/(га·год), возрастет также из-за роста годовой промываемости почвы до 92 мм годовой вымыв гумуса до 0,32 т/га, А2 = 2,8 – 0,32 = 2,48. При плодосмене поступление нового гумуса составит А = 0,5·(1,65 +2,48) = 2,0 т/(га∙год), т.е. увеличится за счет правильного орошения и наличия трав в севообороте с 0,76 до 2,0  т/(га∙год) или в 3 раза. Если полностью исключить эрозию почвы, то значение коэффициента В уменьшится до 0,0111. При этом новые установившиеся запасы гумуса в 20 см слое станут Gуст  = 2,0/0,0111 = 180 т/га, или 270 т/га в 30 см слое, т.е. они вернутся к запасам до распашки и даже превысят их, правда, за длительное время. За 20 лет орошения запасы гумуса возрастут с 84 т/га до G = 2,0/0,0111 + (84 – 2,0/0,0111)exp(-0,0111∙20) = 103 т/га, т.е. средний прирост запасов составит около 1 т/(га×год).

Таким образом, водосберегающий режим орошения, направленный на сокращение оросительных норм при незначительном снижении максимальных урожаев (на 2…9 %) обеспечивает сохранение и даже расширенное воспроизводство плодородия почвы при сохранении посевов люцерны на 50% площади и внесении органических удобрений (прирост запасов гумуса за 20 лет орошения составит 19 т/га), Это приведет к минимизации негативных воздействий на окружающую среду, экономии водных и энергетических ресурсов. Почва, обогащенная гумусом, повысит плодородие, что приведет к росту урожайности, усилит свои барьерные природоохранные свойства, в том числе и средообразующие свойства, повысится качество земель.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.1 Задание к курсовой работе

«Оценка качества земель в богарных условиях

и при орошении»

Студент __________________         ____ группы

Преподаватель_________________

Задание выдано_______

Срок сдачи работы на проверку____________

 

Исходные данные

1.Метеостанция: ВОРОНЕЖ

2.Начало теплого периода 11.04

3.Его продолжительность 190 суток

4.Почвы: ЮЖНЫЕ ЧЕРНОЗЕМЫ

5.Свойства почв:

                    пористость p=0,52; максимальная гигроскопичность wм=0,11;

                    влажность завядания ВЗ=1,35*0,11=0,148 объема

                    ППВ=0,6 пористости или 0,6*0,52=0,312 объема

                    коэффициент фильтрации (определен опытным дождеванием) kf=0,15 м/сут

                    высота капиллярного подъема hk=2 м

6. Выращиваемые растения:

   а) яровая пшеница , Кбиол=0,83; сумма температур для созревания 1500 град С;

                                                  продолжительность вегетации 110 суток;

                                                  оптимальная влажность wopt=0,82 ППВ или 0,256 объема;

                                                  мощность корнеобитаемого слоя hkoc=0,5 м.

   а) люцерна , Кбиол=0,91; сумма температур для созревания 2900 град С;

                                                  продолжительность вегетации 180суток;

                                                  оптимальная влажность wopt=0,85 ППВ или 0,265 объема;

                                                  мощность корнеобитаемого слоя hkoc=1,0 м.

7. Климатические данные: температура воздуха в теплый период; относительная влажность воздуха в %; атмосферные осадки в мм приведены в таблицах 1;2;3

10.2 Порядок выполнения курсовой работы:

1.Выполнить анализ климатических данных(таблицы 2;3;4);

- рассчитать испаряемость по Н.Н. Иванову (таблица 5),

- рассчитать дефицит атмосферного увлажнения (таблица 6);

- построить график накопления положительных (>5оС) температур воздуха (рисунок 1) и на его основе найти декады начала и окончания вегетационных периодов возделываемых растений (таблица 1);

- построить эмпирические и теоретические кривые обеспеченности потенциальной эвапотранспирации (рисунок 2); атмосферных осадков (рисунок 3) и дефицита увлажнения культур (рисунок 4), для этого воспользоваться опцией «НОРМОБР» пакета «EXСEL». Эмпирическую вероятность pэмп  считать по формуле:

                                                   ;                                                 (1)

где m - номер члена в  убывающем ряду эмпирических наблюдений; N – число всех членов этого ряда;

- сделать качественный вывод о соответствии нормального распределения характеристик погодных условий эмпирическим данным (исходя из малости отклонений и симметричности точек).

2. Составить сводную таблицу климатических данных (осадки, испаряемость культуры, дефицит увлажнения культуры) для обеих возделываемых культур с учетом конкретных декад начала и конца их вегетации (таблица  7).

3.Рассчитать качество земель (среднюю урожайность) без орошения, для этого:

- сгруппировать все 20 лет наблюдений за погодными условиями в 5 групп лет (сухие, средне сухие, средние, средне влажные и влажные) по величине дефицита увлажнения данной культуры (см. таблицу 8); затем подбором по формуле (2) для средних влагозапасов найти редукционный коэффициент εw, а по формуле (5) – урожайность в богарных условиях

 

                        Wср = Wнач + 0,75(ОсЕф  + g), мм,                                            (2)

где Wср  средние за вегетацию влагозапасы, мм; Wнач – влагозапасы, образующиеся  в корнеобитаемом слое почвы hкос при снеготаянии или в результате влагозарядковых поливов на начало вегетации; для культур весеннего сева и посадки начальная влажность ωнач  ≈ (0,85...0,95) ППВ, а для многолетних трав и насаждений∙равны ППВ; при этом Wнач = 1000hкос ωнач., мм.

Зависимость для оценки снижения водопотребления растениями εw при отклонении средней в корнеобитаемом слое почвы влажности от оптимальной (А.И. Голованов) имеет вид:

                                                                              (3)

где Eф – фактическое водопотребление (эвапотранспирация) при отклонении влажности почвы в корнеобитаемом слое от оптимальной  Eф = εw  ;

w – относительная доступная влажность в корнеобитаемом слое почвы:

                                            w = (ω – ВЗ)/(p –ВЗ);                                                      (4)

ω – средняя объемная влажность почвы;  p – пористость почвы в этом слое; ВЗ – влажность завядания, примерно равная 1,3…1.5 максимальной гигроскопичности почвы;

ωopt – оптимальная для конкретной культуры влажность.

Влияние влажности почвы на урожайность можно определить по формуле [5]:

                                                                                                             (5)

i – номер декады вегетационного период; n – число декад; ai – вклад каждой декады в урожайность, ;

                            

w - относительная доступная влажность в корнеобитаемом слое hкос  почвы в каждую декаду,

                                                      w = (ω – ВЗ)/(p – ВЗ),                                       (6)

где w - влажность почвы; ВЗ – влажность завядания; p – пористость;

wopt – относительная оптимальная влажность для каждой декады

                                            wopt =(ωopt – ВЗ)/(p – ВЗ);                                         (7)

ωopt – оптимальная влажность для каждой декады, g - коэффициент чувствительности растения на неоптимальность влажности в данную декаду.

Результаты расчета свести в табл. 8 (яровая пшеница) и  в табл. 9 (люцерна)

Вывод: Без орошения земли обладают низким качеством: малым среднемноголетним урожаем (для яровой пшеницы около 0,45 от максимального, для люцерны – 0,23 от максимума) и резким колебанием урожайности по годам, особенно в засушливые годы. Для получения высокого и устойчивого урожая, следовательно, для повышения качества земель необходимо орошение.

4. Рассчитать повышение качества земли при орошении (повышение урожайности) Оросительную норму для каждого года определить по формуле:

                            М = 0,75(WсрWнач)–Осw·Kб E0g,

Результаты расчетов свести в таблицы (10) и (11). В выводах отметить значительную изменчивость величин оросительных норм по годам (для яровой пшеницы в два года из 20-ти с обильными осадками поливы вообще не нужны, для более влаголюбивой люцерны – в 1 год). Отметить также применимость нормального закона распределения к величинам оросительных норм (рис. 5,6).

5. Оценить динамику гумуса в богарных условиях и при орошении. Отметить, что орошение, посев многолетних трав и внесение навоза под пропашные культуры обеспечивает положительную динамику запасов гумуса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1. Средние за вегетацию биологические коэффициенты и требуемая сумма температур воздуха (по Н.В. Данильченко)

Лесная зона

Кбиол

Сум. темп.

Степная зона

Кбиол

Сум. темп.

Озимые колосовые (пшеница, рожь)

0.87

1500

Озимые колосовые (пшеница, рожь)

0.91

1300

Яровая пшеница

0.93

1500

Яровая пшеница

0.83

1500

Кукуруза, подсолнечник (на силос)

0.95

2100

Кукуруза на зерно

0.87

2100

Картофель поздний

0.91

1900

Картофель поздний

0.85

1900

Кормовые корнеплоды (свекла)

0.91

1900

Сахарная свекла

0.90

2900

Капуста ранняя

1.01

1500

Пожнивная кукуруза

0.76

1300

Капуста поздняя

1.00

1900

Капуста поздняя

0.96

2300

Овощные (огурцы, лук, морковь,

столовая свекла)

0.97

1700

Овощные (томаты, столовая свекла и др.)

0.94

2100

Люцерна прошлых лет

0.97

2100

Подпокровная люцерна

0.77

1300

Орошаемые пастбища

0.94

2100

Люцерна прошлых лет

0.91

2900

 

 

 

Орошаемые пастбища

0.92

2900

 

 

 

 

 

 

Лесостепная зона

Кбиол

Сум. темп.

Полупустынная зона

Кбиол

Сум. темп.

Озимые колосовые (пшеница, рожь)

0.92

1500

Озимые колосовые (пшеница, рожь)

0.87

1300

Яровая пшеница

0.92

1500

Яровая пшеница

0.80

1500

Кукуруза, подсолнечник (на силос)

0.93

2100

Кукуруза на зерно

0.83

2100

Картофель поздний

0.87

1900

Картофель поздний

0.81

1900

Кормовые корнеплоды (свекла)

0.88

1900

Сахарная свекла

0.89

2700

Капуста ранняя

0.99

1500

Пожнивная кукуруза

0.83

1700

Капуста поздняя

0.98

2200

Капуста поздняя

0.92

2300

Овощные (огурцы, лук, морковь, столовая свекла)

0.84

1700

Овощные (томаты, столовая свекла и др.)

0.91

2100

Люцерна прошлых лет

0.95

2300

Подпокровная люцерна

0.78

1500

Орошаемые пастбища

0.94

2300

Люцерна прошлых лет

0.90

2900

 

 

 

Орошаемые пастбища

0.92

2900

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

                       Таблица 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

ВОРОНЕЖ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                              СРЕДНЕДЕКАДНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА в теплый период (> 5 град)

 

 

Декады

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

среднее

1966

5.1

8.3

15.6

17.8

12.4

16.6

17.9

21.5

18.8

17.9

15.9