МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006
 

УДК 630.53, 631.6

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА  ЭФФЕКТИВНОСТИ

КОМПЛЕКСНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ

 

Н.П. Карпенко – канд. техн. наук

ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации

им.  А.Н. Костякова»,  г. Москва, Россия

 

Мелиоративная деятельность является одной из основных отраслей народного хозяйства, которая способствует интенсификации сельскохозяйственного производства. Основным технологическим фактором получения высоких урожаев сельскохозяйственной продукции являются комплексные мелиорации, с помощью которых формируется техно-природная система с новой структурой и новыми функциональными свойствами. При разработке системы комплексных мелиораций природный ландшафт следует рассматривать как единую техноприродную систему, в которой функциональные связи между компонентами реализуются путем передачи вещественно-энергетических потоков. 

Для решения проблемы оценки эффективности комплексных мелиораций предлагается использовать термодинамический подход, базирующийся на изучении направлений протекания неравновесных процессов и закономерностей энергетических превращений в природных системах. Природные объекты можно представлять как термодинамические системы в виде совокупности физических тел, которые могут взаимодействовать энергетически между собой с другими телами и обмениваться с ними веществом.

Согласно термодинамическим представлениям физико-химические процессы, происходящие в природных объектах, стремятся привести систему к равновесному состоянию, и это сопровождаются ростом энтропии системы (процессы в зоне выветривания, выравнивания температур, влажности, эрозия и т.д.)  Приток энергии в открытую термодинамическую систему, в которой присутствует биотическая составляющая,  позволяет ей уменьшать свою энтропию (почва, получая энергию от Солнца, тратит ее часть на почвообразование, уменьшая общую энтропии и увеличивая упорядоченность и организованность системы).

Теоретическими предпосылками для обоснования этого подхода явились  исследования Р. Хаазе, Э. Эссига, С. Кеплена, Ю.Б. Румера и др. и уравнения термодинамики необратимых процессов.  Рассматривая почву как открытую систему и как основной компонент природной среды, через которую осуществляется процесс обмена вещества и энергии между атмосферой, литосферой и живым веществом, баланс теплового потока в почвенном слое и растительном покрове может быть выражен  как [6]

                               ,                                                   (1)

где L – теплота парообразования,   LЕс – затраты тепла на суммарное испарение Ес, включающее транспирацию растениями и испарение с поверхности почвы (эта составляющая теплового баланса наиболее существенна – 80-90% от радиационного баланса);  Р – конвективный обмен теплом с приземным слоем атмосферы за счет нагревания воздуха у самой поверхности почвы;   В – приток тепла в почву из глубинных горизонтов;  Q – затраты энергии на почвообразовательные процессы (выветривание, перенос вещества по профилю, эндотермические процессы и т.п.);  Ф – затраты энергии на фотосинтез; CПDq - изменение количества тепла в почве при ее нагревании за  балансовый период на Dq0;  CП теплоемкость почвы.

С термодинамических позиций в изучении теплового режима почв при комплексных мелиорациях важным является определение направления теплообмена в системе «атмосфера – почва» и энергообмена самопроизвольно протекающих процессов.  Основным источником поступления тепла в почву в системе «атмосфера – почва» является солнечная энергия, имеющая основополагающее значение в развитии и формировании почвенного покрова.

Применительно к тепловым процессам, протекающим на поверхности почв, с точки зрения закона сохранения энергии и существования функции состояния, справедливы следующие термодинамические уравнения - состояния фаз и выражения дифференциала внутренней энергии  [7, 8, 9]:

                                         ;                                                         (2)

                                      ,                                                     (3)

 

где  dU – изменение внутренней энергии системы;   dR – поступление энергии в систему (теплолучистой энергии Солнца);   dA – работа, производимая системой;   Т – температура;   S – энтропия;   Р – давление;   V – объем;    - энергия химических превращений в процессе массообмена (Mi  – масса i-го  компонента;   mi – химический потенциал, характеризующий скорость обмена).

В уравнениях (2), (3) все входящие в них величины могут рассматриваться как термодинамические свойства системы, выражаться через характеристические функции (внутреняя энергия, свободная энергия, энтальпия, изобарно-изотермический потенциал) и соответствующие им параметры состояния (объем, температура, давление, энтропия, число молей компонента) и могут непосредственно измеряться или рассчитываться по различных эмпирическим зависимостям.

Рассматривая приведенные выше термодинамические уравнения, можно отметить, что внутренняя энергия dU является характеристикой состояния системы, и ее изменение не зависит от процесса, с помощью которого, она переходит от одного состояния к другому.  Поступающая в систему теплота dR  и производимая системой работа dA характеризует процессы, в результате которых изменяется состояние системы. 

Приведенные термодинамические балансовые уравнения позволяют изучать их структуру по величинам вещественно-энергетических потоков и оценивать изменение составляющих баланса.  Это представляет особый интерес с точки зрения  оценки степени конструктивного антропогенного (мелиоративного, сельскохозяйственного и т.д.) воздействия на природную среду и установления экологически допустимых пределов.

В качестве интегрального критерия эффективности мелиоративных воздействий может служить опасность (степень) нарушения естественного термодинамического баланса природной подсистемы, которая является потенциальной характеристикой необратимости потерь (или необратимости процессов), количественно связанных с антропогенными факторами. 

Естественный термодинамический баланс вследствие закономерного антропогенного изменения имеет тенденцию к смещению, который проявляется в формах единичного или общего явления в виде явных, или скрытых негативных последствий.  При комплексных мелиорациях возникает задача определения степени нарушения естественного термодинамического баланса и возможности развития необратимых процессов как необходимого условия обеспечения и сохранности экологического равновесия.  Понятие экологического равновесия должно опираться на систему знаний и представлений о состоянии и свойствах природного объекта – биотической и средообразующих составляющих. Характеристика вещественно-энергетических потоков средообразующих факторов природной среды может оцениваться системой интегральных критериев, которые имеют управляемый и неуправляемый характер. 

Среди интегральных критериев изменения средообразующих факторов в результате проведения комплексных мелиораций можно использовать показатель гидротермического режима, который характеризует тепло- и влагообеспеченность растений  и учитывает природно-климатические условия – «индекс сухости» Будыко.  В естественных условиях  «индекс сухости» определяется как [4]

                                                                                                                      (4)

При осуществлении системы мелиоративных мероприятий этот показатель выражается следующей зависимостью 

                                                                                         (5)

где   R – радиационный баланс деятельной поверхности;  L – скрытая теплота парообразования;  Oc – годовая величина атмосферных осадков за вычетом поверхностного стока;  Mop – дополнительное количество влаги, полученное за счет применения водных мелиораций;   A0,  Aм  – альбедо поверхности  в естественных условиях и в условиях орошения.

В сочетании с радиационным балансом индекс сухости определяет характер растительности и продуктивности агроценозов, от которых во многом зависит устойчивость ландшафтов к мелиоративному воздействию.

При сельскохозяйственном освоении территорий (распашке) меняется структура водного баланса, составляющие которого определяют направленность и интенсивность природных процессов.  Основными элементами термодинамического баланса является испарение, поверхностный сток и вертикальный влагообмен между почвенными и грунтовыми водами.  Баланс поверхностных и  почвенных вод, учитывающий эти составляющие, может быть записан в виде [3]

                                           Wn = OсE`c ± g ,                                                            (6)

где  W – изменение запасов поверхностных и почвенных, мм;  Oс – атмосферные осадки, мм;   E – испарение, мм;  `c – поверхностный сток, мм;  ± g влагообмен между почвенными и грунтовыми водами ( «+» восходящие и «-» нисходящие потоки), мм.

Зональная тепло- и влагообеспеченность оценивается осредненными среднемноголетними годовыми показателями радиационного баланса R  и суммой атмосферных осадков Ос, которые формируют суммарное испарение Ес и речной (поверхностный и подземный) сток  QР, определяемый как QР = Ос - Ес.

Оценить суммарное испарение для конкретной зоны можно на основании зависимости, предложенной М.И. Будыко [4]

                                             ,                                         (7)

где ;  L – теплота парообразования воды (принята 2,26 Кдж/см3);  Ос – сумма среднемноголетних атмосферных осадков, мм;   th, ch, sh – гиперболические тангенс, синус и котангенс.

Зональные значения годовой испаряемости (мм) можно ориентировочно  оценить по формуле В.Р. Волобуева [5]

                                                                   ,                                                  (8)

где Ео – испаряемость, мм;  R – радиационный баланс (КДж/см2).

В соответствии с рекомендациями И.П. Айдарова и А.И. Голованова доля испарения может составлять  65-85 % от атмосферных осадков для европейской территории России [2]. 

Соотношение между природной нормой испаряемости и радиационным балансом  необходимо для целей сравнительной оценки коэффициента увлажнения Ку, определяемого как отношение природных осадков к испаряемости

                                                              Ку = Ос / Ео                                                                       (9)

Изменение содержания органического вещества и химических элементов при сельскохозяйственном освоении происходит за счет: объема производимой биомассы в агроландшафтах, использования опада в виде подстилки, а также за счет отчуждения значительной биомассы с урожаем.  В качестве интегрального критерия оценки изменения уровня плодородия почв может служить содержание гумуса в почве за определенный период [1]:

                                                        ;                                                  10)

                                                ,                                             (11)

где  GT – количество гумуса на момент времени Т;  G0  – исходное содержание гумуса на момент времени Т0; Т – период времени;  О0, ОT – возврат биомассы в почву соответственно на момент времени Т0, Т;  Оорг доза внесения органических удобрений за рассматриваемый период времени (Т–Т0);   x – коэффициент, характеризующий интенсивность микробиологической деятельности в почве.

Годовой баланс гумуса в почве можно записать в следующем виде  [1]

                   ,                              (12)

где  – изменение запасов гумуса в расчетном слое почвы; GОУ – количество гумуса, образованного из органических удобрений – навоза, сидератов (растений, выращиваемых для последующей запашки в почву);   – количество новообразованного гумуса из растительных остатков урожая;   – расходование гумуса на образование общей биомассы выращиваемых растений;   – вымыв гумуса из расчетного слоя нисходящими токами влаги при промывном типе водного режима;   – убыль гумуса с поверхностным стоком;      поступление (+) или убыль (–) гумуса с ветровой эрозией; все статьи баланса в т/га/год.

Интегральными критериями оценки состояния биоты являются общие запасы биомассы и биоразноообразия, ежегодный прирост биомассы, возврат биомассы в почву,  которые зависят от гидротермического режима, системы земледелия и вида мелиораций.

Для различных природных зон на основании собственных расчетов по приведенным выше зависимостям и данным различных авторов были обобщены и проанализированы вещественно-энергетические характеристики по суммарной радиации, фотосинтетически активной радиации, альбедо, суммарному испарению, речному стоку, затратам тепла на испарение, турбулентному теплообмену, индексу сухости, коэффициенту увлажнения и т.д. (см. табл.).

Данные таблицы  дают представление о зональных различиях отдельных вещественно-энергетических составляющих термодинамического баланса в естественных условиях и закономерностях их изменения.

 

Термодинамические показатели составляющих  теплового и  водного балансов

для различных  ландшафтно-климатических зон

 

Вещественные и

энергетические

характеристики

Ландшафтно-климатическая зона и тип почвы

Лесная

(ширoко-листв.)

Лесостеп-ная (черно-земы выще-лоченные

и опозол.)

Степная

(чернозе-

мы (обы-кнов.)

Сухо-

степная

(кашта-

новые)

Полупус-

тынная (светло-ка-штановые и бурые)

Пустын-ная

(серо-

земы)

Суммарная солнечная радиация, Кдж/см2

 

376

 

397

 

418

 

460

 

502

 

523

ФАР, Кдж/см2

173

182

193

212

231

241

Альбедо почвы, %

26,0

11,0

8,9

19,0

24,0

29,2

Радиационный

баланс, Кдж/см2

 

135

 

150

 

155

 

167

 

210

 

230

Сумма средне-мно-голетних осадков, мм

 

625

 

600

 

500

 

370

 

300

 

200

Суммарное испа-рение почвы, мм

 

429

 

422

 

375

 

287

 

238

 

160

Испаряемость, мм

508

545

557

586

685

730

Затраты тепла на

испарение, Кдж/см2

 

98

 

96

 

85

 

65

 

54

 

36

Турбулентный теплообмен, Кдж/см2

 

37

 

54

 

70

 

102

 

156

 

194

Поверхностный сток, мм

 

196

 

178

 

125

 

83

 

62

 

40

Индекс сухости,

R/LОс

 

0,96

 

1,11

 

1,37

 

2,00

 

3,10

 

5,08

Коэф.увлажнения

КУС0

 

1,23

 

1,10

 

0,89

 

0,63

 

0,44

 

0,27

Затраты энергии

на фотосинтез,

 Кдж/см2

 

1,73

 

1,82

 

1,93

 

2,12

 

2,31

 

2,41

Оптимальные оросительные нормы (нетто), (вид полива), мм

100

(дожде-вание)

200

(дожде-

вание)

250

(дожде-

вание)

300

(дожде-

вание)

450

(поверх-

ностный полив)

600

(поверх-

ностный полив)

Сработка гумуса,

т/га

0,65

0,66

0,78

0,76

0,80

1,08

 

*)                Составлено с использованием данных И.П.Айдарова, М.И.Будыко, В.Р.Волобуева, В.Н.Димо, К.Н.Дьяконова, А.И.Голованова, Д.А.Манукьяна, Н.А.Мячковой, Н.И.Парфеновой, Ю.Л.Раунера, Х.Г.Тооминга.

 

Результаты исследований позволяют сделать следующие общие выводы. 

Распашка и комплексные мелиорации практически в любой природной зоне заметно снижают альбедо почв, что сопровождается увеличением суммы активных температур на 10-15%, величины ФАР на 5-10%, индекса сухости на 5-15%,  радиационного баланса для разных почв и растительного покрова на 7-12%.  В результате сельскохозяйственного освоения почва становится теплей, испарение влаги увеличивается; для холодной переувлажненной зоны эти изменения положительны, они способствуют увеличению урожайности за счет лучшей тепло- и влагообеспеченности.

В степной, сухостепной и полупустынной зонах распашка увеличивает  радиационный баланс, что в конечном итоге связано с увеличением засушливости территории (и некоторым снижением урожайности), поэтому потребность в орошении становится больше, чем это следует из оценки тепло- и влагообеспеченности для естественных условий. Следует заметить, что рост испарения сопровождается увеличением теплообмена между почвой и атмосферой.

Орошение земель приводит не только к увеличению влажности почв и снижению альбедо, но и дальнейшему повышению радиационного баланса, особенно в южных регионах, и это позволяет использовать комплексные мелиорации для регулирования гидротермического режима почв. 

Говоря о балансе органического вещества и химических элементов в почве следует отметить, что сельскохозяйственное освоение значительно снижает запасы органического вещества в почвах, а в условиях природных флуктуаций наблюдается их интенсивный вынос. Расчеты показали, что при сельскохозяйственном освоении практически для всех зон отмечается дефицит гумуса и наблюдается сработка запасов почвенного гумуса на 0,3-1,0 т/га в год, поэтому для его восстановление и сохранения экологических функций необходимо обязательное ежегодное внесение органических удобрений. Это дает возможность оптимизировать сельскохозяйственную нагрузку и оценить роль комплексных мелиораций в сельскохозяйственном производстве. 

Для оценки изменения термодинамического баланса следует также использовать интегральные показатели – гидротермический режим, биологическую продуктивность, плодородие почв и их показатели, которые определяют основные средообразующие факторы каждой природно-климатической зоны.

Величины изменения составляющих вещественных и энергетических балансов дают возможность выявить основные факторы, лимитирующие плодородие почв, а также наметить следующие направления мелиорации при сельскохозяйственном освоении природных ландшафтов. 

Основным способом регулирования вещественно-энергетических потоков в природном объекте (приземном слое атмосферы, почве, растениях, поверхностных и подземных водах) является мелиорация сельскохозяйственных земель.  Для восстановления нарушенного термодинамического баланса природного объекта именно комплексные мелиорации позволяют ослабить интенсивность деградационных процессов.

Увеличение продуктивности сельскохозяйственных угодий и ее стабилизация возможно только при применении комплексных (химических, агрохимических, агролесотехнических и гидротехнических) мелиораций с целью регулирования водного режима почв, оптимизации мелиоративных режимов и ликвидации дефицита минерального питания.

Комплексные мелиорации должны обеспечивать восстановление нарушенных энергетических  и водных балансов, а также балансов органического вещества и химических элементов и требуемое регулирование биологического круговорота.  Для их восстановления необходимо повышать продуктивность сельскохозяйственных угодий,  осуществлять возврат органического вещества в почву и проводить внесение органических удобрений.

Величины оросительных норм и снижение непроизводительных потерь требует разработки и применения соответствующей техники полива, и в качестве основных способов целесообразно использовать дождевание, позволяющее снизить до минимальных значений потери воды на поверхностный сток и влагообмен, и снизить деградационные процессы.

Предлагаемый термодинамический подход к обоснованию и оценки эффективности комплексных мелиораций позволит не только улучшить экологическое состояние агроландшафтов и мелиорируемых земель, обеспечить их устойчивое функционирование и  воспроизводство природных ресурсов, но и повысить экологическую безопасность функционирования мелиоративных систем.

 

Библиографичекий список

 

1.         Айдаров И.П.  Перспективы развития комплексных мелиораций в России. – М.: МГУП, 2004. 138 с. 

2.         Айдаров И.П., Голованов А.И.  Мелиорация земель в России: научное обоснование, современный подход.  //Мелиорация и водное хозяйство. 2005. № 5. С. 22-27.

3.         Айдаров И.П., Голованов А.И., Никольский Ю.Н.  Оптимизация мелиоративных режимов орошаемых и осушаемых земель. – М.: Агропромиздат, 1990. 58 с.

4.         Будыко М.И.  Тепловой баланс земной поверхности. – Л.: Гидрометеоиздат, 1956. 

5.         Волобуев  В.Р.  Введение в энергетику почвообразования. – М.: Наука, 1974. 128 с.

6.         Голованов А.И.,  Сурикова Т.И.,  Сухарев Ю.И.  и  др.  Основы  природообустройства. – М.: Колос, 2001. 264 с.

7.         Кеплен С.Р., Эссиг Э. Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов. /Пер. с англ.  – М.: Мир, 1986. 384 с. 

8.         Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. Термодинамика, стистическая физика и кинетика. – М.: Наука, 1972.

9.         Хаазе Р.  Термодинамика необратимых процессов. –  М.: Мир, 1967.  

 

 

 
Вернуться к Оглавлению...