МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

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

УДК 631.67

ПОВЫШЕНИЕ САНИТАРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ  БЕЗОПАСНОСТИ

ОРОШАЕМЫХ АГРОЛАНДШАФТОВ

 

А.А. Терпигорев,  А.В. Грушин

ФГНУ ВНИИ «Радуга», Московская область, Коломенский район, Россия

 

Темпы роста отечественного производства овощной продукции  и  урожайность отстают от общемировых тенденций, которые по данным мирового Саммита (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) потребует ежегодного увеличения урожайности сельскохозяйственных культур на 3-4 %. Дефицит продукции сельского хозяйства в нашей стране и рост численности населения земного шара продиктует необходимость освоения  в нашей стране новых интенсивных технологий для их производства. Эта ситуация при сегодняшних технологиях земледелия приведет к большим антропогенным нагрузкам  на агроландшафты, снизят их экологическую устойчивость и могут привести  к необратимым процессам, в т.ч.  к потере урожайности и деградации почв. Историческое прошлое  интенсивной эксплуатации пахотных земель на Руси является ярким тому примером, когда обеднение почв вынуждало забрасывать ранее освоенные земли.

Из множества показателей обеспечения роста  и развития растений в первую очередь должны быть обеспечены световой, водный, пищевой и тепловой режимы. По значимости эти факторы, влияющие на прибавку урожая, распределяются следующим образом: мелиорации, в том числе водные – 49 %; погодные условия – 15 %; посевной материал – 8 %; прочие условия – 31 %. Таким образом, орошение и питательные элементы являются главным резервом повышения урожайности. Орошение является не только средством обеспечения  водных и питательных режимов, но в острозасушливые годы, наступающие с периодичностью 2-3 года, является единственным гарантом сохранения урожая.

Для орошения сельскохозяйственных культур применяются различные способы полива: дождевание, поверхностный полив, внутрипочвенное и капельное орошение.

Каждый из этих способов имеет свои достоинства и наиболее эффективную зону и условия применения. Однако при интенсивной антропогенной нагрузке вопрос выбора наиболее экологически безопасного способа орошения представляет особый интерес.

Экологическое состояние окружающей среды, в т.ч. выбросы в атмосферу продуктов промышленного производства, и последующая их аккумуляция в водоисточниках и выпадение в виде «кислотных» дождей проявляются и в ухудшении химических и микробиологических показателей воды водоемов первой категории. Доля проб, не отвечающим гигиеническим нормам,  в 2004 г.  по областям РФ составила от 25,3 до 82 %. Причём эти значения имеют тенденция увеличения. По данным за период 2001-2003 гг. в реках Москва и Ока Коломенского района содержание макроэлементов, особенно нитратов, увеличилось, что необходимо учитывать при расчёте норм их внесения при орошении, а также значительно увеличилось содержание загрязняющих веществ (медь, цинк, свинец, фенолы и т.д.). Повышенное загрязнение воды ведёт к бурному развитию микрофлоры водоисточников, в том числе патогенной. Передача с оросительной водой различных видов заболеваний снижает урожайность орошаемых культур (сосудистый бактериоз капусты, фитофтороз картофеля, макроспориоз томатов и другие бактериальные заражения, в том числе бактериоз пшеницы, ячменя, овса и т.д.). Усиленное развитие заболеваний происходит при перемеживании осадков с тёплыми солнечными днями.

В условиях неустойчивой экологической обстановки  значительный интерес представляет способ подвода воды и питательных элементов к растениям для повышения эффективности использования оросительной воды и уменьшения развития грибковых и иных заболеваний.

При внутрипочвенном орошении подача воды осуществляется непосредственно с нижней части зоны корнеобитания, исключая всякий контакт воды и переносимыми ею ингредиентами с вегетативной массой растений.  При капельном и поверхностном орошении – вода подается на поверхность корнеобитаемой зоны, создавая минимальный контакт вегетирующих растений с водой. При дождевании вода попадает на вегетативную часть выращиваемых растений, а затем уже проникает в почву, что в некоторых случаях отрицательно сказывается на устойчивости растений к болезням. Выбор способа полива в данной ситуации играет немаловажную роль на качественные и количественные показатели  формируемого урожая.

Перечисленные способы орошения позволяют одновременно с поливной водой вносить и растворимые минеральные удобрения.

Результаты обобщенных данных показывают, что продуктивный вынос питательных элементов из почвы на 1 т товарной продукции по основным элементам питания N, P2O5, K2O соответственно составляют 3,2-9,5; 1,1-3,3; 4,5-12,5 кг. Внесение этого количества по традиционным технологиям в туках под пахоту требует увеличения их норм  внесения в 1,5-4,5 раза. При этом заранее внесенные удобрения не всегда могут быть эффективно использованы растениями  в нужное время. Внесение с поливной водой в прикорневую зону  легкодоступных для растений солей снижает их потребление растениями из почвы и позволяет сэкономить до 30 % удобрений, а внесение антагонистов тяжелых металлов и радионуклидов (Са+2, К+), обеспечивает получение более экологически чистой продукции.

Внутрипочвенное орошение и полив по бороздам позволяет проводить полив подготовленными стокам без контакта с  надземной частью растений. В отличие от дождевания подготовленными стоками, получившим наибольшее распространение в Германии на прифермских кормовых севооборотах, внесение стоков непосредственно к корневой зоне в большей степени соответствует охране окружающей среды, чем при традиционном дождевании. При этом исключается образование дождевого облака стоков, и возможный снос его  ветром до 150 м за пределы орошаемого поля, необходимость смыва стоков с надземной части растений подачей до 300 м3/га чистой воды и организации санитарно-защитной зоны шириной до 200-300 м.

При поверхностном поливе по бороздам оросительная вода подаётся к растениям минуя его надземную часть. В настоящее время уровень механизации разрабатываемых технических средств поверхностного полива,  подпочвенного и капельного орошения  достаточно высок. Системы капельного орошения автоматизированы, но в настоящее время преимущественно базируются на использовании сравнительно дорогого зарубежного оборудования, что осложняет его эксплуатацию и ремонт. Его высокая стоимость, достигающая  $ 5 тыс. га для открытого грунта и  $ 20…30 тыс. га для теплиц,  пока недоступна для фермеров. Разрабатываемые отечественные системы капельного орошения и их разновидности находятся в стадии производственной проверки или предназначены для орошения садов и виноградников.

Применение полива по бороздам требует планировки поверхности земли, что приводит к дополнительным затратам на первой стадии освоения, но они быстро окупаются. Современные технологии планировки с использованием лазерной техники позволяют подготовить орошаемую поверхность  с точностью ± 3-5 см с минимальным перемещением грунтов. Ровная поверхность обеспечивает при орошении снижение величины поливной нормы и повышает равномерность её распределения по орошаемой площади. Выровненная поверхность поля улучшает развитие растений, в т.ч. огурцов, моркови и капусты /ГиМ, 1975/. Снижение поливных норм до их оптимальной величины обеспечивает получение экологически-обоснованных урожаев и снижает нагрузку на водоисточник в пиковый период водопотребления, что также повышает устойчивость агроландшафтов.

Разработанная ВНИИ «Радуга» механизированная технология полива длинных 400-метровых борозд путем рассредоточенной подачи расхода воды по их длине через каждые 50 м, решает вопросы экономного использования оросительной воды: концевые сбросы не превышают 5-10 %, а равномерность распределения сокращенных в 2-3 раза поливных норм достигает 0,85. Производительность на поливе повышается за счет увеличения суммарной величины подаваемого расхода  в длинную борозду без возникновения эрозии почвы.

Для механизации и повышения производительности на поливе с рассредоточенной подачей расхода разработан ряд поливных машин и устройств, в том числе ТКУ-100, ТКП-90 и их разновидностей – ПТ-Ш, ТК-П; проходит разработка передвижных поливных комплектов для мелкоконтурных участков площадью до 20 га. Поливные машины ТКП-90 и ТКУ-100 представляют собой колесный трубопровод на базе  ДКШ-64 «Волжанка», на котором вместо дождевальных аппаратов через каждые 50 м установлены поливные шлейфы. Принципиальная схема конструкции поливных машин ТКП-90 и ТКУ-100 приведены см. рис. 1а.

Поливные машины ТКП-90 и ТКУ-100 прошли испытания и производственную проверку в хлопкосеющих хозяйствах Средней Азии и на полях РФ. Поливная машина ТКУ-100, отличается от ТПК-90 увеличенным диаметром водопроводящего пояса  и может комплектоваться приводной тележкой с электроприводом. Особая конструкция водовыпусков поливных шлейфов позволяет применять эти машины  для полива пропашных сельскохозяйственных культур подготовленными животноводческими стоками. Обеспечивая одновременно с поливом подкормку растений  и поддержание плодородия почв с минимальным контактом надземной части со стоками и экономя затраты на их утилизацию. 

Сравнительные испытания полива ТКУ-100 и полива из гибких шлангов показали, что равномерность увлажнения почвы с рассредоточенной подачей воды составила 0,76 против 0,6, а величина сброса не превысила 1,2 % против 7,1%. Более высокая равномерность увлажнения почвы способствовала повышению урожайности орошаемых культур: хлопчатника – на 4-5 ц/га и люцерны – на 4-6 ц/га. Энергетические затраты на водоподъем и распределение 1000 м3 воды при поливе ТКП-90 и ТКУ-100 составили – 42 кВт/ч, что в 3 раза меньше, чем при дождевании базовыми машинами ДКШ-64 «Волжанка» и ДКН-80.

Для полива пропашных культур на мелкоконтурных участках и в садах проходит разработку передвижной поливной комплект ППК-25  с подачей воды по коротким заполняемым бороздам или по длинным бороздам с рассредоточенной подачей постоянного и переменного расхода по их длине, состоящий из унифицированных тележек, соединенных между собой гибкими трубопроводами и оснащенный поливными шлейфами. Унифицированные тележки снабжены барабанами  для намотки звена водопроводящего гибкого трубопровода (шланга) и рукояткой для её перемещения вручную.

При смене позиций водопроводящие гибкие шланги отсоединяют от тележек, наматывают на барабаны и  перекатывают; а отсоединенные поливные шлейфы перемещают в осевом направлении поперек поливных борозд.

Для полива овощей в условиях Московской области длина поливных шлейфов составляет 18 м, а величина расходов их водовыпусков не более 0,2 л/с.

Основные технические характеристики поливных машин для поверхностного полива приведены в таблице.

 

Наименование показателей

Типы поливных машин

ТКУ-100

ТКП-90

ППК-25

Значение показателей

Расход, л/с

50…55

45

25

Напор на гидранте, м

20…25

20

20…25

Длина поливных шлейфов, м

18

18; 27

18; 36

Расход шлейфа, л/с

до 6,5

6,0

6,5-7,0

Напор на входе в шлейф, м

3,0-3,5

2,0-3,8

2,0-4,0

Расход водовыпуска, л/с

не  менее 0,2

до 0,22

0,2/0,07

Площадь полива с одной позиции, га

0,72

0,72

0,36 (0,72)

Масса, кг

2700

2500

600

Обслуживающий персонал, чел.

1 на 4

1 на 4

1 на 3

 

При импульсно-капельном орошении, как и при обычном капельном поливе вода подаётся на поверхность корневой зоны.  Для импульсной водоподачи ВНИИ «Радуга» разработан модуль системы импульсно-локального орошения садов (МИЛОС) с площадью обслуживания до 0,5 га. Установка состоит из 2-метровой вышки с накопительной ёмкостью, гидравлического распределителя потока жидкости и поливной сети в виде перфорированных трубопроводов длиной до 50 м (см рис. 1б).

В отличие от традиционного капельного орошения вода к растениям подаётся в виде струек, в импульсном режиме, через отверстия (1,5…3,0 мм) в десятки, раз превышающие диаметр канала капельницы. Принцип её работы основан на аккумулировании постоянно поступающего к ней малым расходом в 0,4…0,6 л/с воды в накопительную ёмкость объёмом 150…200 л с последующим быстрым его поочерёдным распределением по одной из нескольких секций поливных трубопроводов, уложенных вдоль рядов насаждений. Эта технология позволяет снизить энергозатраты на поливе в 5-6 раз и использовать напор в 3 и более метров.

Импульсная водоподача с очень малой интенсивностью, близкой к водопотреблению растений, создает наиболее благоприятный для растений водный режим орошаемого поля. Система отличается простотой конструкции, эксплуатационной надёжностью и обеспечивает водопочвосберегающую, экологически безопасную технологию полива сельскохозяйственных культур и отвечает современным требованиям к поливным устройствам и  энергоёмкости орошения.

При внутрипочвенном орошении подача оросительной воды к растениям осуществляется под действием капиллярных сил почвы. Разработанная ВНИИ «Радуга»  система внутрипочвенного орошения с полиэтиленовыми перфорированными увлажнителями (см. рис. 1в) предназначена для орошения сельскохозяйственных культур, плодово-ягодных насаждение во всех зонах орошаемого земледелия как условно чистыми, так и хозбытовыми сточными и смешанными водами населенных  пунктов. Механизированная технология бестраншейной укладки увлажнительной сети позволяет повысить производительность и сократить сроки строительных работ. Полиэтиленовые увлажнители    24...40 мм длиной до 200 м укладываются в почву на глубину до 60 см навесным бестраншейным укладчикам НБУ-ПТ. На водопроницаемых грунтах под увлажнитель укладывается экран из полиэти­леновой пленки укладчиком НБУ-ПТЭ.

Такая система внутрипочвенного орошения безотказно работала в экспериментальном хозяйстве ВНПО «Радуга» Коломенского района, на площади 30 га в течение 18 лет при орошении  хозбытовыми  сточными  водами посёлка. Она была ликвидирована в 1985 г. только в результате строительства новой автодороги Москва-Урал.

На участке внутрипочвенного орошения экспериментального хозяйства ВНПО «Радуга» при многолетнем внесении смененных хозяйственно-бытовых и животноводческих стоков, содержащих органические и минеральные вещества, повысилось плодородие, и активизировалась микробиологическая деятельность почвы. За счет накопления органики, вносимой с водой, количество гумуса в слое 25...40 см возросло от 1,07 до 1,82 %, количество легкоподвижных форм аммиачного азота увеличилось от 4,3 до 6,2 мг на 100 г почвы, фосфора от 6,9 до 36 мг на 100 г почвы; в зоне прокладки увлажнителей снизилась кислотность. Эти положительные изменения произошли ввиду того, что в 1000 м3 стоков содержится до 40 кг азота, 20 кг фосфора, 50 кг калия /И. Пак, Л.И. Передкова/.

Использование смешанных сточных вод при внутрипочвенном орошении  позволяет получать высокие урожаи сельскохозяйственных культур. При 6...8 поливах поливной нормой 300...600 м3/га урожай многолетних трав составил 460 ц/га, кукурузы на силос - 633, свеклы кормовой 1185, пшеницы озимой 48 ц/га. При этом коренным образом изменяются условия труда оператора-поливальщика, отсутствует контакт человека со стоками, исключается воздействие стоков на растение и атмосферу.

Таким образом, разработанные технологии и техника орошения, оснащённая устройствами для ввода удобрений с поливной водой, имеет все предпосылки использования для получения программируемых урожаев сельскохозяйственных культур при экономии материальных и энергетических ресурсов и обеспечении охраны окружающей среды.  

Для условий зон с недостаточным увлажнением целесообразны малообъёмные технологии и техника орошения садов в виде синхронно-импульсного дождевания. Синхронно-импульсное дождевание (СИД) применяется для орошения садов, ягодников, чайных плантаций, лесопитомников, овощных, кормовых, технических и других сельскохозяйственных культур. Разработанные ВНИИ «Радуга» комплекты КСИД-1 и КСИД-10 являются одно и десятигектарными блок-участками (модулями) для строительства стационарных и сезонно-стационарных оросительных систем различной площади (см. рис. 1г,д). Проходит разработку КСИД-Р для малоинтенсивного дождевания участков площадью до 0,35 га (см. рис. 1е).

Комплект представляет собой автоматически действующую дождевальную установку, которая осуществляет орошение сельскохозяйственных культур непрерывно в течение вегетации растений, за исключением периодов обработки растений, проведения культивации, прополки и других операций по уходу за почвой и растениями.

Технология СИД основана на малоинтенсивной водоподаче синхронно водопотреблению и равной суммарному расходу воды на испарение с поверхности почвы и транспирации растений (0,1-1,0 л/с на 1 га). Водоподача осуществляется круглосуточно на протяжении всего термически напряжённого периода вегетации, прерывисто во времени с интервалами 1-5 минут между выбросами воды в виде искусственного дождя практически одновременно всеми импульсными дождевателями.

Технология малоинтенсивного и длительного воздействия СИД на растения и среду (почву, приземный слой воздуха) коренным образом отличается от традиционной технологии дождевания, основанной на кратковременной водоподаче с интенсивностью превышающей интенсивность водопотребления в 50-250 раз

Рис. 1. Схемы и виды технических средств орошения:

а  принципиальная схема ТКП-90 и ТКУ-100; б  принципиальная схема МИЛОС;

в – схема системы внутрипочвенного орошения;  г  схемы сети КСИД-1и вид импульсного

 дождевателя; д  схема сети КСИД-10А; е – система импульсного дождевания с применением КСИД-Р.

1 – водопроводящий пояс, 2 – муфта; 3 – поливной шлейф;  4 – распределительный трубопровод;

5 – накопительно-распределительная ёмкость; 6 – поливной трубопровод; 7 – насосная станция;

8 – распределительный колодец;  9 – увлажнитель внурипочвенный; 10 - дождеватель импульсный;

11 – очистные сооружения; 12 – пневмогидроаккумулятор импульсный; 13 – дождевальный аппарат

 

Комплект СИД, в отличие от известных технических средств для проведения вегетационных поливов, имеет ряд принципиальных отличительных особенностей:

предельное рассредоточение поливного тока снижает величину транспортируемых расходов воды, что позволяет применять трубы малого диаметра (15-25 мм);

длительная во времени, постоянная импульсная водоподача, с паузами, заданной продолжительности (50-90 секунд), позволяет поддерживать влажность активного слоя почвы и приземного воздуха на оптимальном уровне без резких колебаний;

наличие пауз в работе импульсных дождевателей, продолжительность которых может быть в 50-200 раз больше периодов выплеска воды, обеспечивает низкую среднюю интенсивность искусственного дождя до 0,007 мм/мин, что позволяет использовать комплект на всех типах по водопроницаемости почв, с уклонами до 0,3;

импульсные дождеватели нового типа работают в «ждущем» режиме по сигналам автоматического понижения давления в сети, что обеспечивает надёжную групповую работу и одновременное срабатывание всех импульсных дождевателей на системе, полную идентичность параметров их работы (объём и количество выплесков, верхнее и нижнее давление, радиус действия и др.) независимо от высотного и планового их расположения, что практически недостижимо на системах с обычными дождевальными аппаратами, а также с импульсными дождевателями автоколебательного действия;

малоинтенсивное длительное воздействие на почву, позволяет поддерживать её влажность в слое активного влагообмена на оптимальном уровне (80-85 % НВ) без значительных колебаний от верхнего (100 % НВ) до нижнего (60-70 %НВ) пределов в течение всего вегетационного периода свойственных традиционным технологиям. Протекающие при этом в почве процессы не носят стрессовый, разрушающий её структуру, характер и проходят в комфортных для формирования плодородия условиях по водосдерживанию и аэрации. Капилярное давление влаги в почве находится на минимальном пороге от -5 до -10 кПа, не требующем высоких энергетических затрат при потреблении растениями из почвы влаги и элементов питания.

Технология СИД – экологически безопасна. Малоинтенсивная водоподача полностью исключает образование на поверхности почвы луж и почвенной эрозии, в том числе при сложном рельефе местности. Малый диапазон изменения влажности почвы создаёт условия, исключающие перенос солей в верхние горизонты и их засоление.

СИД является водосберегающей технологией:

оросительная норма снижается на 20-25 % за счёт повышения продуктивного аккумулирования и использования естественных осадков в слое активного влагообмена;

длительное направленное воздействие на микроклимат приземного слоя воздуха за счёт импульсного характера дождевания повышает влажность воздуха в термически напряжённые периоды суток на 10-20 %, а температуру снижает на 1-30С. Амплитуда колебаний этих параметров в суточном цикле значительно уменьшается. Создаются микроклиматические условия для активизации процесса фотосинтеза растений на протяжении всего дневного периода суток без его спада в жаркие часы суток, как это имеет место при традиционном дождевании. Повышенная влажность воздуха уменьшает испарение с поверхности почвы. Технология СИД создаёт уникальную возможность борьбы с атмосферной засухой, суховеями и заморозками;

длительное импульсное воздействие дождя непосредственно на надземную часть растений способствует очищению поверхности листьев, регулирует их температуру, создаёт оптимальные условия для внекорневого питания растений;

оборудование СИД даёт возможность реализовать принципиально новую технологию «непрерывного» внесения вместе с поливной водой слабоконцентрированных макро- и микроудобрений, средств химизации путём дозированного ввода их централизованно в голове системы или дифференцированно по площади с вводом непосредственно у импульсных дождевателей;

предельное рассредоточение тока воды во времени и пространстве, исключение водооборота на системе позволило снизить потребную пропускную способность и диаметр трубопроводной сети последнего порядка до 1 дюйма, одновременно повысив их загрузку во времени. Капиталоёмкость оросительных систем СИД существенно снижена (на 30-50 %), за счёт более полного использования технологического оборудования во времени, а также отсутствия водооборота и вододелительной арматуры.

Производственная апробация  СИД прошла в широком диапазоне климатических поясов от Ивановской области на севере до Молдавии, Крыма, Закавказья и республик Средней Азии на юге, где дефицит водопотребления находится в пределах от 1 до 10 тыс. м3 на 1 га.

Прибавка урожая на участках СИД по сравнению с традиционным дождеванием при одинаковой оросительной норме составила: на многолетних и однолетних травах – 35 %; чая – 30 %; плодов и ягод – 15-30 %; овощей – 30-50 %; сахарной свёклы – 30-35 %; кормовой свёклы – 37 %  /В.Ф. Носенко, Т.Е. Аравина/.

В горных условиях на участках с уклоном до 10-300 (Таджикистан), ранее не орошаемых, получены высокие урожаи трав (более 1000 ц/га зелёной массы) с сенокосных угодий. В плодо- и лесопитомниках Казахстана достигнута высокая приживаемость (до 85 %) черенков и саженцев, против 46-60 % на контроле.

Модифицированной разновидностью СИД является комплект малоинтенсивного синхронно-импульсного дождевания КСИД-Р с рассредоточенной подачей аккумулируемой в импульсных дождевателях воды не через один аппарат, а через 12, позволяющий резко снизить мгновенную интенсивность дождя до 0,004 мм/мин. Работа комплекта, как в импульсном, так и непрерывном режимах водоподачи даёт возможность осуществлять при необходимости влагозарядку почвы до требуемой исходной влажности и продолжать дождевание в импульсном режиме, нормами суточного водопотребления. С 2005 г. КСИД-Р проходит опытно-производственную проверку в условиях Краснодарского края на орошении зеленных культур.