Поиск

Проблема вторичного засоления почв
19.11.2015

Данной проблеме посвящена обширная научная литература на разных языках. Автор публиковал немало книг и статей, рассматривавших пути преодоления вторичного засоления почв при орошении. Ряд предварительных соображений по этой проблеме высказан выше. В настоящем разделе хотелось бы рассмотреть эту проблему специально.
Искусственное орошение больших территорий представляет собой исключительно могущественное воздействие техники на природный ландшафт. Орошение своим воздействием захватывает толщи земли порядка десятков и сотен метров, оказывает влияние на десятки метров приземного слоя воздуха и сказывается на водном и солевом режиме значительной части бассейна речной системы, на устьевой части реки и на прибрежной части моря. За немногими исключениями, современные оросительные системы в общем строятся и функционируют примерно на том же уровне, что и в Древнем Египте, Вавилоне или Хорезме. Проводящая оросительная сеть каналов обычно сооружается в земле без гидроизоляции. Потери транспортируемой воды в крупных каналах, если они не облицованы, достигает 40-45% водозабора. Вода на полях распределяется с помощью временных небольших каналов и поливных борозд. Почти все оросительные системы берут в свои пределы и распределяет на поля и на пустующие территории огромные количества избыточных масс воды. Все это вместе приводит к тому, что фактический коэффициент полезного действия большинства оросительных систем составляет величину порядка 30-50%. Это значит, что 50-70% воды, поступающей через головное сооружение в оросительную систему, теряется на фильтрацию в каналах, на полях и на затопленных избыточными водами пространствах. Поэтому важнейшим условием предупреждения на оросительных системах вторичного засоления и заболачивания с выпадом больших пространств земель из сельскохозяйственного оборота является прежде всего техническое усовершенствование самих оросительных систем и высокая культура водоиспользования. Вводя усовершенствования в технологию и техническую оснащенность оросительных систем (лотки, гидроизоляция, трубопроводы, дождевальные машины, планирование и точное распределение воды в соответствии с нуждами растений и свойствами почвенного покрова), можно обеспечить коренное улучшение водоиспользования и поднять коэффициент полезного действия до величин порядка 80-85%.
И все же опасность засоления орошаемых почв и заболачивания оросительных систем не снимается даже при улучшенной технологии и оснащенности оросительных систем. Дело в тем, что орошение коренным образом меняет природный водный и солевой баланс территории. Большинство степей и пустынь, как показано вше, естественным дренажем и оттоком грунтовых вод не обеспечено. Поэтому на новых оросительных системах при бездренажном орошении происходит подъем уровня грунтовых вод иногда со скоростью 0,5-1 м и даже 3-4 м в год. Подпочвенные соленые воды подтопляют поверхность, вызывают заболачивание и засоление орошаемых земель. He подвергаются засолению или заболачиванию в течение многих столетий и даже тысячелетий использования лишь такие оазисы, которые обладают хорошим естественным дренажем (свободный отток грунтовых вод), например Ташкентский или Самаркандский.
По сведениям ФАО, не менее 50% площади орошаемых земель мира засолено, дают сниженную продукцию или выпали из земледелия полностью. Ежегодно выпадают из использования сотни тысяч гектаров поливных земель вследствие засоления. По грубым оценкам экспертов, человечество потеряло от засоления многие миллионы гектаров ранее плодородных земель.
По данным Эль-Габали, во всех странах Ближнего и Среднего Востока и Северной Африки (от Афганистана до Марокко и Сенегала) орошаемое земледелие глубоко страдает от засоления почв, вызванного отсутствием или недостаточностью дренажных устройств, от плохого качества поливных вод, от непонимания земледельцем необходимости промывок при освоении засоленных почв и промывного режима при поливах. В бассейнах рек Тигра, Евфрата, Инда Нила засоление орошаемых почв известно уже тысячелетия. Пакистан, Египет, Ирак, Сирия настойчиво ведут борьбу с засолением почв. И тем не менее в последние десятилетия засоленность почв растет и составляет 30-50% (Сирия, Ирак) и даже 80% (Пакистан) орошенной поверхности. Отсутствие дренажных сооружений и неосторожное использование речных или подземных вод повышенной минерализации -главные причины растущей засоленности почв. Это сказалось даже в орошаемых районах Австралии, США, Мексики, Аргентины.
В Австралии (Северная Виктория) засолены почвы на огромной территории (80 тыс. га), и грунтовые воды там имеют часто концентрацию до 10-40 г/л. Пока еще серьезные успехи в мелиорации этих земель не получены. Вероятно, промывка и глубина закладки дрен и и понижение уровня соленых грунтовых вод были недостаточными. Автору лично пришлось видеть в Австралии большие массивы вторично засоленных почв в долине р. Мюррей.
В Патагонском районе Аргентины 40 000 га земель, орошенных в XIX в., ныне на 50% засолены вследствие переполивов, больших потерь воды в каналах и недостаточности дренажа. Были надежды на то, что дождевальные методы орошения, а в последнее время так называемое "капельное орошение" предупредят засоление почв.
Конечно, дождевание многое дает в предупреждении переполивов и заболачивания. Ho там, где почвы и грунты, поливные или грунтовые воды минерализованы, там при дождевании засоление не только не уменьшилось, но продолжает расти. Больше того, вторичное засоление распространилось и захватило речные воды, минерализация которых в зонах орошаемого земледелия неудержимо растет, достигая концентраций 1-2 г/л.
Засоление орошаемых почв приобретает все большую остроту в США. В 60-х годах здесь было около 25-27% всей орошенной площади подвержено вторичному засолении и солонцеватости, что вызывало ежегодные потери порядка 350 млн. долларов. Суммарная цифра, иллюстрирующая общие потери сельского хозяйства Соединенных Штатов от неблагоприятных почвенных и мелиоративных условий, а также недостатков водоиспользования, достигает по данным США. 9 млрд. долларов ежегодно.
Вторичное заболачивание, вторичное засоление и щелочность являются серьезной угрозой продуктивности орошаемого земледелия западной части Соединенных Штатов. Примерно около 4 млн. акров культурных земель западных штатов в настоящее время нуждаются в специальных мероприятиях по устранению отрицательного влияния избыточного переувлажнения и засоленности. В США придают очень большое значение разработке методов сокращения либо ликвидации бесполезной транспирации и испарения влаги из почвы, водоемов и каналов. Дело не только в том, что имеются прямые убытки хозяйству от этих потерь, но крайне увеличивается зависимость урожая сельскохозяйственных культур от бесполезной транспирации и испарения, а в орошаемом земледелии сокращаются площади возможного расширения поливных земель.
В 70-х годах процессы засоления почв и вод в США значительно усилились и распространились. Американские ученые и инженеры подчеркивают в печати и выступлениях исключительную опасность растущей засоленности почв и вод, низкий уровень научных знаний и недостаточное понимание надвигающихся в связи с этим социально-экономических трудностей во многих районах аридной зоны.
Рост засоленности орошаемых почв приобрел практически повсеместный характер. Как старые, так и новые оросительные системы Индии и Пакистана несут тяжелые потери от растущей засоленности почв. В Пакистане правительство вкладывает громадные материальные и трудовые ресурсы в борьбу с засолением почв, охватившим до 80% площади орошения. Строятся десятки тысяч насосных колодцев для водоснабжения и понижения уровня грунтовых вод. Однако отсутствие развитой сети коллекторов и горизонтальных дрен не позволяет решить задачу вывода накопленных солевых масс. Земледелие Пакистана испытывает тяжелые потрясения.
В Ираке проблемы орошения и борьбы с засолением почв носят также крайне драматический, тревожный характер. Древнее междуречье Тигра и Евфрата, колыбель цивилизации народов, территория некогда цветущей природы и ее необычайных богатств, ныне практически почти не имеет плодородных,незаселенных почв. Огромная испаряющаяся способность климата, достигающая 2,5-3,0 тыс. мм в год, геохимическая обогащенность междуречья и древней дельты солями (напорный восходящий приток подземных солевых растворов, горизонтальный принос солей поверхностными, паводковыми, речными и грунтовыми водами), практически полная естественная недренированность междуречья, испарительный водный баланс и тысячелетний накопительный солевой баланс привели к колоссальному содержанию солей в почвах, грунтах, грунтовых водах. Кочевое пастбищное хозяйство и примитивное орошение усилили этот процесс. Засоление почв сплошное; в верхних 0-20 см почвы содержится - 1-10% солей. Грунты имеют 1,5-3% солей, а концентрация солей в грунтовых водах измеряется величинами 5-15, 25-50 р/л и очень часто 75-100 р/л и даже 200 г/л. Лишь 10-15% территории междуречья используются в земледелии.
Правительство Ирака при поддержке других государств и органов ООН приступило к крупным опытным и производственным работам по мелиорации засаленных земель. Горизонтальный (открытый) дренаж глубиною 2-3 м с мездрениями 100-200 м (в зависимости от фильтрационных свойств грунта), капитальные мелиоративные промывки нормами воды по 15-20 тыс. м3/га (слой 15-20 см), обильное орошение сельскохозяйственных растений, культура поливного риса позволяют в первые же годы освоения не только рассолять почвы, но и получать хорошие урожаи. Ho это лишь начало больших производственных работ по мелиорации засоленных земель Ирака.
Сильное засоление орошаемых почв наблюдается на оросительных системах Китая, Ирана, Алжира, Сенегала, Туниса. He изжито засоление орошаемых почв в некоторых районах юго-востока, Закавказья и Средней Азии России. Однако именно в России в период после 1945 г. достигнуты поразительные успехи в борьбе с засолением орошаемых почв в Азербайджане, Узбекистане, Таджикистане и Туркмении.
Процессы засоления на оросительных системах долины р. Вахта (Таджикистан), в Чарджоу и Хорезме (на Амударье - Туркмения), в Голодной степи и Ферганской долине (на Сырдарье - Узбекистан) были остановлены, засоленные почвы расселены и возвращены в культуру. Глубокий горизонтальный дренаж, промывка солей, выборочное применение вертикального насосного дренажа, введение гидроизоляции на каналах и общая культура и дисциплина водопользования явились основой этих успешных мелиораций. В частности, в Таджикистане площадь сильнозасоленных почв, составлявшая в прошлом до 35% орошаемой территории, благодаря мелиорации сократилась к 1972 г. до 9%. Научные данные, относящиеся к этим мелиоративным работам, публиковались в работах автора и других советских ученых, демонстрировались во время Х Международного конгресса почвоведов в 1974 г. IX Международного конгресса по ирригации и дренажу в 1975 г.
Значительный вклад в теорию понимания и практику борьбы с процессами засоления орошаемых почв на основе применения дренажа внесли конгрессы Международной комиссии по ирригации и дренажу.
На конгрессах многократно отмечалась совершенно недостаточное понимание и низкая изученность связи между вторичным засолением почв, минерализацией и глубиной грунтовых вод, а также роль первоначальной засоленности почв. В генеральных докладах на конгрессах комиссии вопрос о дренаже, и его роли в управлении солевым режимом орошаемых почв всегда занимал ведущее место.
К сожалению, положительный опыт в борьбе с заселением орошаемых почв не получил должного распространения. Одна из причин этого - ошибочная позиция американской Лаборатории засоленных почв в Риверсайде (Salinity Laboratory). В течение 25-30 лет эта очень влиятельная лаборатория отвергает многие бесспорные научные положения геохимической теории соленакопления и опыт практики мелиорации. Недооценивается значение уровня грунтовых вод и их минерализации в возникновении и свойствах засоленных почв. Игнорируется ионный состав солей в почвах и солей, находящихся не в растворе (паста), а в осадке. Понятия о критическом уровне и режиме, критической минерализации грунтовых вод отвергаются иди замалчиваются. Вторичное засоление почв приписывается только солям оросительной воды, что имеет лишь третьестепенное значение. Отвергается или не понимается необходимость капитальных мелиоративных (вневегетационных) промывок солей, необходимость снижения уровня и опреснения соленых грунтовых вод с помощью горизонтального дренажа или их отрыва от почвы с помощью насосного вертикального дренажа. Публикации лаборатории Риверсайда обходят все эти вопросы и по существу насаждает и поддерживает антидренажные позиции сторонников "дешевого" бездренажного, промывного орошения. Именно это ведет к переполивам, заболачиванию, засолению.
К этому необходимо добавить стремление повсеместно вводить бездренажную культуру риса, которая нуждается в больших количествах воды, а это вызывает при недостаточном дренаже региональный подъем грунтовых вод. В практике земледелия все еще господствует неспланированность полей, что также вынуждает применять большие поливные нормы, подтопляющие поля. Сказывается низкая культура населения, недостаток национальных кадров агрономов, инженеров, почвоведов.
По всем этим причинам в большинстве стран, вводящих орошение, продолжаются:
а) игнорирование особенностей природной почвенно-геохимической обстановки (минерализованные грунтовые воды, их баланс, засоленность грунтов и почв, неудовлетворительный естественный дренаж);
б) стремление не создавать дренажные сооружения в надежде удешевить этим строительство оросительных систем;
в) переполивы почв, излишний водозабор и большие повсеместные потери воды на полях и в ирригационных каналах (они обычно не облицовывается). Все это в совокупности вызывает повышение уровня грунтовых вод и засоление почв.
Учет площадей засоленных почв в большинстве стран не налажен и часто истинная картина остается неизвестной или же скрывается.
Исходя из научного и производственного опыта различных стран, необходимо назвать следующие важнейшие мероприятия, предупреждающие процессы засоления орошаемых почв и обеспечивающие мелиорацию засоленных территорий.
Основным предупредительным и мелиоративным мероприятием, повышающим КПД оросительной сети и снижающим фильтрацию в оросительных каналах как главную причину катастрофического нарушения вещного баланса местности и подъема грунтовых вод, является облицовка каналов непроницаемыми экранами и сооружение оросительных каналов в закрытых трубопроводах.
Обобщение мирового опыта борьбы с фильтрацией воды в каналах свидетельствует, что лучшим способом (долговечность, стабильность, практическая водонепроницаемость, легкость очистки и т.д.) гидроизоляции на каналах является комбинированное применение полимерных пленок, размещенных в канале, и укладка на них железобетонных плит с заделкой швов. При строительстве новых каналов необходима их предварительная замочка для усадки грунтов.
Полимерные покрытия и мембраны на каналах, несмотря на высокую стоимость, все больше внедряются в орошаемое земледелие США и России. И это оправдывается экономическим эффектом. Толщина полимерных пленок, которые обеспечивают высокую механическую устойчивость и хорошую гидроизоляцию, составляет 0,2-0,8 мм.
Лучше других себя проявили пленки из полиэтилена, поливинилхлорида, этиленвинилацетата, синтетический каучук (бутил), полистрол, плиты из поропласта. Пленка закрывается слоем уплотненного грунта (30-40 см) или железобетонными плитами.
В Голодной степи (Узбекистан) для борьбы с фильтрацией в каналах оросительной сети с успехом применяется "комбинированная облицовка железобетонными плитами по прочной полиэтиленовой пленке". Пленка защищает плиты от агрессивного влияния солей и повышает водонепроницаемость. Плиты гарантируют физическую защиту пленки и совместно с пленкой обеспечивают почти полную водонепроницаемость грунтов.
Внутрихозяйственная сеть каналов должна сооружаться в железобетонных лотках или в трубах (асбоцемент, железо, чугун). Применение закрытых гидроизолированных каналов и трубопроводов повысило КПД до 0,97-0,98 и КЗИ до 0,98 (опыт Голодной степи).
Все эти мероприятия позволяют снять или уменьшить угрозу повышения уровня грунтовых вод и вторичного засоления почв.
Второй мелиоративно-предупредительной мерой на новых оросительных системах, имеющих глубокие грунтовые воды, является своевременное строительство вертикального машинного дренажа для откачки грунтовых вод с тем, чтобы исключить угрозу их поднятия там, где прогноз это подсказывает. Калифорния и Аризона в США именно на этой технической основе смогли избежать подъема грунтовых вод на своих оросительных системах.
Предупредительная роль вертикального дренажа будет особенно эффективна при водопроницаемых грунтах и там, где грунтовые воды не минерализованы и пригодны для орошения. Хороший результат в предупреждении подъема уровня грунтовых вод (иди в снижении их на 1,5-3 м) дало применение вертикального насосного дренажа в Армении и в Голодной степи при закладке одной скважины на каждые 50-100 га. При многослойных, тяжелых грунтах вертикальный дренаж малоэффективен и, несмотря на высокие дебиты скважин не может остановить подъем уровня почвенно-грунтовых вод (гидравлическая разобщенность водоносных горизонтов).
Третьей радикальной мерой предупреждения засоления почв (особенно для освоения уже сильнозасоленных почв) и борьбы с ним является глубокий горизонтальный дренаж и его безупречная работа в сочетании с промывными поливами. Он может быть временным и дополнительным к вертикальному дренажу. Ho он имеет и самостоятельное значение, как средство полной эвакуации солей при мелиорации почв. Если глубокий горизонтальный дренаж сооружен до приближения уровня грунтовых вод к критической глубине, то он включится в работу и остановит дальнейшее движение грунтовых вод к поверхности. Глубину заложения дрен (1,5-3 м) и междрения (75-300 м) варьируют в зависимости от степени засоленности почв, их водопроницаемости, глубины и минерализации грунтовых вод. Это предмет изучения, проектирования и опыта. Так, например, применение учащенного (120-200 м) глубокого (2,5-3,5 м) горизонтального дренажа (открытого и закрытого - полиэтиленовые перфорированные трубы с диаметром 100-200 мм) на лессовых сероземах Голодной степи себя полностью оправдало при необходимости освоения засоленных земель.
Вызывает большие сомнения идея, которая иногда появляется в печати и докладах, о совмещении оросительных и дренажных каналов. Примеры этого встречаются на совершенно пресных опесчаненных дельтовых почвах при машинной (малые водокачки) подаче поливной воды из глубоких каналов (Хорезм, Восточный Китай). Грунтовые воды в этих случаях почти не отличаются от поливных вод. Там, где грунтовые воды засолены, этот метод неприменим.
Многие новые оросительные системы, построенные в разных странах мира,не вышли бы из строя от засоления и заболачивания, если бы они были обеспечены вертикальным и глубоким горизонтальным дренажем и тщательно выровненными (спланированными) полями. Однако, вопреки накопленному ранее опыту, на большинстве оросительных систем это не осуществлялось или же делалось в совершенно недостаточных размерах.
И наконец, и это самое главное, необходимо в наше время строить оросительные системы высокого класса, хорошо оснащенные измерительной техникой, дождевальными машинами, автоматическими устройствами, иметь квалифицированный персонал. Ход мелиоративного процесса должен ежегодно контролироваться и корректироваться. Данные аэросъемки полей, сведения о химизме и гидрологии почв и грунтов,о полученных урожаях должны регулярно и быстро анализироваться и обобщаться.
Далеко не каждый год и не каждый сезон года в степях, пуштах, саваннах является засушливым. Орошение в условиях современного изменчивого климата степей является не основой водопотребления растений (как в пустынях и полупустынях), а дополнительным водоисточником к атмосферному увлажнению (дожди, росы, снеговые воды). Поэтому оросительные системы, создаваемые для условий субаридного климата, должны быть очень мобильными, позволяющими быстро и эффективно управлять водоподачей на поля по мере действительной необходимости в соответствии с условиями погоды и влажности почв.