История и методология науки и производства природообустройства

ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ НАУКИ И ПРОИЗВОДСТВА ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

ВВЕДЕНИЕ

1. СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ МЕЛИОРАЦИИ КАК НАУКИ В СССР

1.1. Социальная и политическая обстановка в стране в период после 1917г

1.2. Влияние антропогенной деятельности на природную среду

1.3. Становление и развитие мелиорации земель в СССР

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРОШЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ

2.1. Основы теории систем. Геосистемный подход

2.1.1. Понятие системы

2.1.2. Постулаты теории систем

2.1.3. Природа, геосферы, компоненты природы, геосистема

2.1.4. Свойства систем

2.1.4.1. Общие свойства систем

2.1.4.2. Свойства динамических систем

2.1.4.3. Свойства геосистем как земных природных систем

2.1.5. Устойчивость геосистем

2.1.6. Особенности геосистемного подхода

2.2. Общие положения и принципы

2.3. Основные методы и модели

3. История развития орошения в России

3.1. Особенности природных и хозяйственных условий

3.2. Основные факторы, определяющие изменение состояния природных ландшафтов

3.3. Требования к использованию природных ресурсов

3.4. История развития орошения в РСФСР

Период до 1917 г.

Период с 1917 по 1929 гг.

Период 1930-1945 гг.

Период 1946-1965 гг.

Период 1966-1990 гг.

Период 1990 – 2005 гг.

4. История освоения дельты р. Кубани

1860-1930 гг.

1931-1960 гг.

1961-1990 гг.

4.1. -Современное состояние геосистемы

ПТК 1 – вершина дельты и приречные гряды.

ПТК 2 – плавни.

ПТК 3.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Проблема взаимодействия человеческого общества с природой (коэволюция) на пороге XXI в. получила особую остроту. Экологическая проблематика вышла на первое место в международных отношениях.

Человечество в своей деятельности активно вмешивается в природу, нарушая и ломая сложившиеся в ней динамические равновесия (стабилизация запасов биомассы, гумуса, NPK в почве).

Внедрение земледельческой культуры потребовало интенсивной вырубки лесов. В результате лесистость суши за последние 6 тыс. лет сократилась с 70 до 23—30 %. При этом сокращение лесных массивов происходило катастрофически быстрыми темпами в последние десятилетия, когда лесистость суши еще достигала 50—60 %. Сведение лесов в планетарном масштабе и замена их агроценозами резко сократили влагооборот и способствовали процессам опустынивания суши.

Водохозяйственная и мелиоративная деятельность «не отстает» от всех других по своей разрушительной силе ( регулирование поверхностного стока – подъем уровня ГВ, заиливание малых рек из-за запруд – уменьшение дренированности территории, сокращение рыбных запасов).

Первые земледельческие цивилизации возникли в зоне недостаточного увлажнения. Археологические раскопки показывают, что за многие тысячи лет до нашей эры развитие орошения вызывало локальные катастрофы в бассейне Тигра и Евфрата, приводившие к ослаблению и даже к гибели государств в результате эрозии, и засоления почв.

После бурного развития водохозяйственного строительства и мелиорации земель, пик которого пришелся на 70-е годы, в середине 80-х, особенно во второй их половине, наступило разочарование в связи с не оправдавшимися надеждами на быстрое решение продовольственной программы страны за счет этих мероприятий.

Появился ряд негативных экологических последствий — подтопление и заболачивание земель, развитие процессов засоления, слитизации, осолонцевания и эрозии почв, вызывающих падение их плодородия.

По данным ЮНЕСКО и ФАО в мире заброшено из-за засоления и осолонцевания орошаемых земель больше, чем сейчас используется для орошения.

Возникли сомнения и острые дискуссии о правильности проводимых программ мелиорации земель.

Негативные экологические последствия орошения обычно рассматривают сквозь призму непосредственных эффектов орошения на орошаемом поле или массиве. Здесь — на локальном уровне иерархии природных объектов — отмечается подъем грунтовых вод, как на самом массиве, так и на прилегающих землях за счет фильтрационных потерь из оросительных каналов, а также за счет инфильтрации поливной воды на полях (глубинное просачивание) и, как следствие, подтопление, вторичное засоление почв. Все это приводит к падению плодородия.

Общепризнанными средствами борьбы с засолением почв являются дренаж, промывки засоленных земель и промывной режим орошения. Как показал опыт, эти приемы далеко не всегда и успешно решают эту проблему. Ярким примером тому является острый экологический кризис, разразившийся на наших глазах в бассейне Аральского моря.

Промывка на фоне дренажа засоленных земель, а затем промывной режим орошения требуют: затрат дополнительной воды; усиливают водообмен между почвенными и грунтовыми водами; способствуют вымыву из почв не только вредных солей, но и питательных веществ, в том числе удобрений, микроэлементов и пр.

В конечном итоге дренаж и промывной режим орошения способствуют падению плодородия почв, снижению урожаев.

Кроме того:

-возникает проблема приемника и утилизации дренажного стока, насыщенного солями, пестицидами и другими химикатами;

-обостряется проблема дефицита водных ресурсов.

По существу, борьба с засолением орошаемых земель, которая активно велась человечеством, является борьбой со следствием без глубокого выяснения причин и действий, направленных на устранение этих причин, и потому по своей сути была обречена на неудачу.

Стратегия развития орошения в стране до последнего времени была ориентирована на получение максимальной сельскохозяйственной продукции. Охрана окружающей среды практически не учитывалась.

Осуществляемая на практике концепция оросительных мелиорации (СНиП на КПД ОС) допускает существенные потери воды на фильтрацию и промывной режим орошения, и, следовательно, подъем грунтовых вод, подтопление, заболачивание и засоление прилегающих (особенно нижерасположенных) земель. При этом теряются безвозвратно сотни кубокилометров дефицитной пресной речной воды из источников. Эти воды растворяют запасы солей зоны аэрации и вовлекают их в геологический круговорот, способствуя засолению грунтовых и поверхностных вод.

Просчеты, связанные с возникающими экологическими проблемами, стали настолько очевидными, что необходимо изменить сами подходы к регулированию водно-солевого режима орошаемых земель.

В основу концепции положены труды русской классической школы, рассматривающей Природу как единое и неделимое целое в ее эволюционном развитии.

В составляемых бассейновых Схемах все внимание направлено лишь на распределение имеющихся водных ресурсов между потребителями. Водохозяйственные расчеты ведутся без глубокого знания законов формирования природных гидрогеохимических потоков. Прогнозы делаются односторонние, например прогноз подъема уровня грунтовых вод. Как правило, прогнозы оказываются слишком оптимистичными, фактически процессы развиваются много быстрее и с весьма негативными последствиями (ПРИМЕР С УГВ ПРИ ОРОШЕНИИ). Обычно причины этого ищут в несовершенстве моделей, по которым ведутся прогностические расчеты, в невозможности точного определения параметров, в некачественном строительстве, в плохой эксплуатации и пр. Все это имеет место. Но главная причина в том, что не учитываются региональные условия и процессы (ТОЛЬКО ЛОКАЛЬНЫЕ).

Все это заставило по-новому осмыслить результаты водохозяйственной и мелиоративной деятельности в свете современных экологических проблем.

Восприятие Природы и Человека как части ее в мудром развитии жизни на Земле, стремление понять, почувствовать законы этого развития, показать нетленную ценность накопленных человечеством знаний мы находим у многих русских естествоиспытателей. Такие мысли высказывались еще учеными и философами глубокой древности. Недавно переизданы записки замечательного русского естествоиспытателя, создателя новой науки биогеохимии, объединившей учение о «живой» и «мертвой» (косной) природе, предсказавшего появление на планете ноосферы,— академика В. И. Вернадского.

Исправление ошибок должно начинаться с нашего сознания, с наших мыслей, с нашего мировоззрения. Мы должны, наконец, понять, что все мы — человеческое общество — «дети космоса» и должны жить по его законам. Не переделывать Природу, не брать от нее без счета и возврата, а вписываться своей деятельностью в ее законы и сообразно им организовывать свою жизнь, все глубже постигая эти законы. Для этого нам дан Разум, Воля и Право выбора.

Разработана концептуальную модель природной биогеохимической системы Земли как объекта воздействия мелиорации. Эта модель основана на представлениях об открытых системах, обладающих устойчивостью, саморегулированием и находящихся в поступательном динамическом равновесии.

Под влиянием космической энергии сформировались современные геоструктуры, определенное соотношение между континентами и океаном, климат, ландшафтно-географические зоны. По законам большого геологического круговорота происходит постоянный обмен веществ и химических элементов между сушей и океаном. На фоне большого круговорота осуществляются множественные циклы малого биологического круговорота через биогеоценозы, специфические для каждых ландшафтов зон. Связующим звеном между геологическим и биологическим круговоротами являются почвы и грунтовые воды.

Функционирование биогеохимической системы рассматривается на трех иерархических уровнях: глобальном, региональном и локальном.

Глобальный уровень объединяет ландшафтно-географические зоны планеты со всем разнообразием их биогеоценозов, поверхностных и подземных потоков веществ и химических элементов.

Региональный уровень включает в себя речные бассейны II и III порядка.

Локальный уровень — ландшафт (орошаемый массив, поле), на нем можно проследить за сложными биогеохимическими процессами, обменом веществ и химических элементов между живой и косной материей, между почвами и грунтовыми водами.

Функционирование отдельных структур и всей системы определяется интенсивностью поступления космической (в первую очередь солнечной) энергии, ее взаимодействие с системой может быть выражено системой уравнений балансов энергии и веществ.

 

Однако известно, что поступление космической энергии, в первую очередь солнечной радиации, подвержено определенной ритмичности, определяющей ритмичность всех природных процессов, протекающих на земле.

Продолжительность цикла, лет	Вид явлений	Эпоха, для которой установлен цикл
	Колебания интенсивности солнечных пятен, суровость зим	1050—1895 гг.
30—40	Колебания активности осадков и температуры воздуха	1700—1885 гг.
Колебания уровня озер Западной Сибири и Северного Казахстана	1700—1948 гг.
Колебания интенсивности сумм и средних солнечных явлений	1749—1949 гг.
80—90	Колебания интенсивности роста деревьев	700—1400 гг.
Колебания интенсивности солнечных явлений	100—1600 гг.
250—300	Колебания интенсивности свечения комет	100—1900 гг.
600—900	Рост деревьев	1200—1900 гг.
Колебания интенсивности солнечной активности
	Колебания интенсивности климатических явлений
	Климатические и гидрологические в совмещении с геологическими	Современная эпоха
	Колебания интенсивности увлажненности территории Евразии	XXXV в. до н. э. -XV в. н. э.

Россия обладает огромными природными ресурсами, в том числе водными, лучшими в мире почвами - черноземами, доля которых в пашне составляет больше 50 %. Если проанализировать информацию о территории, населении, географическом положении, полезных ископаемых, климате, наличии плодородных черноземных почв, водных ресурсов, напрашивается вывод - Россия является богатейшей и процветающей страной мира. Увы, реальность такова, что Россия по всем основным социально-экономическим показателям отстает не только от развитых, но и от большинства развивающихся стран мира. И в этом есть доля вины мелиораторов.

История развития орошения в Российской Федерации рассмотрена в привязке к лесостепной, степной и сухостепной зонам и экономическим регионам: Центрально-Черноземному (ЦЧО), Поволжскому (П), Северо-Кавказскому (СК).

При рассмотрении истории использованы результаты многолетних теоретических и экспериментальных исследований, различные точки зрения и мнения ученых и специалистов на происходящие события, принимаемые решения и последствия их реализации.

Несомненно, что когда-нибудь появится история развития мелиораций более достоверная, детально исследующая на другом уровне возникновение тех или иных проблем, но это дело будущего. А сейчас, в преддверии вступления России в ВТО в соответствии с требованиями этой организации, Россия должна обеспечить подъем сельского хозяйства, включая и орошение земель и решить экологические проблемы и проблемы воспроизводства возобновляемых природных ресурсов. Поэтому очень важно выявить те недостатки и ошибки, которые имели место в развитии орошения в прошлом, с тем, чтобы не допустить принятия необоснованных решений в будущем.

Анализ событий и фактов основывается на использовании сложившихся к настоящему времени теоретических разработок и представлений в области системного подхода к изучению природно-деятельностных систем, массо- и энергопереноса и моделирования природных процессов.

Кроме вопросов орошения земель необходимо рассмотреть некоторые вопросы земледелия, почвоведения, гидрогеологии, геохимии, экономики и экологии, без которых объективный анализ событий и процессов невозможен.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРОШЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ

Понятие системы

В переводе с греческого, systema – составленное из частей, соединенное. Система – реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между элементами системы.

Внимание исследователя должно быть сосредоточено на элементах (частях, подсистемах) – как, например, ограждающая, регулирующая, проводящая сети осушительной системы или генетические горизонты в почве. Кроме элементов нужно рассматривать и взаимодействия между ними: например, в осушительной сети – взаимное расположение и соединение осушителей или дрен, коллекторов и каналов; в почве - потоки вещества (влаги, солей, питательных веществ), энергии и информации. Такой анализ позволит описать и изучить свойства и поведение системы в целом.

Постулаты теории систем

Теория систем и системный анализ опираются на ряд предпосылок, постулатов. Их можно сформулировать в следующем виде:

1. Всё – система. Реальные и концептуальные сложные объекты можно рассматривать как состоящие из большого числа сложно и разнообразно связанных и взаимодействующих частей – другими словами, как системы. Это позволяет применять специальные научные методы для их изучения и создавать методы управления ими с помощью системного анализа.

2. Всё – часть ёще большей системы. Недостаточно изучать только внутренне строение систем, поскольку каждая система является подсистемой более крупного объекта. Внешние связи системы раскрывают её иерархическое положение, взаимодействие с другими системами. Знание внешних связей позволяет объяснять и предсказывать распространение воздействий из подсистемы в надсистему, что крайне важно при решении задач природообустройства.

3. Вселенная бесконечно систематизирована. Каждая система не только входит в состав более крупной надсистемы, но сама состоит из подсистем. Постулат указывает, что при изучении системы следует четко представлять порядок вложенности подсистем, влияющий на их функционирование.

4. Все системы бесконечно сложны. Сложность системы зависит от количества входящих в неё элементов и связей между ними. Но при анализе системы мы выделяем элементы по своему усмотрению так, чтобы можно было установить связи между ними, и их число было не слишком велико. В полной системе число связей между элементами равно числу сочетаний из N по два. Так, два элемента имеют 1 связь, три – уже 3 связи, десять – 45 связей и т.д. При составлении математической модели каждая связь – это соотношение того или иного вида (равенство, неравенство, уравнение, статистическая связь), очень часто – сложного вида и обладающее существенной нелинейностью.

Понятно, что чем больше система, тем сложнее её анализировать. Поэтому при изучении систем стараются строить обобщенные модели, состоящие из возможно меньшего числа элементов, не приводящего к заметному снижению точности и прогностичности модели (такие модели называют оптимально сложными). Нельзя забывать, что в данном случае исследователь имеет дело лишь с более или менее адекватным подобием реального объекта.

 

Свойства систем

Теория систем позволяет отыскать ряд свойств, характерных для всех сложных объектов, которые функционируют как единое целое благодаря взаимодействию составных частей. Часть этих свойств присуща всем системам, часть – только динамическим, в которых роль связей играют потоки вещества, энергии и информации. Геосистемы являются динамическими системами, т.е. частным случаем систем вообще, поэтому их свойства можно разделить на три группы: присущие им как системам вообще, как динамическим системам и своеобразные свойства, которые есть только у земных природных систем.

Общие свойства систем

Целостность (эмерджентность) – это способность систем проявлять полностью свои свойства только при взаимодействии элементов, важнейшее свойство, наличие которого, согласно определению, позволяет отнести объект к системам.

С этих позиций геосистемы нужно рассматривать как совокупности взаимосвязанных и взаимообусловленных элементов - компонентов природы или подсистем более низкого ранга. Так, невозможно достоверно судить о процессах в почве, не учитывая особенностей функционирования ландшафта в целом. С другой стороны, относительно замкнутые круговороты веществ на уровне ландшафта невозможно изучать, не имея информации о региональных и глобальных процессах.

Сложность. В соответствии с принципом «Вселенная бесконечно систематизирована» можно представлять систему состоящей из элементов различных уровней существования материи, вплоть до атомного, элементарного и даже кваркового. В таком случае во всех природных системах число элементов очень велико.

Но при изучении геосистем нужно оставаться на уровне рассмотрения процессов, значимых для ландшафта, местности, урочища, фации, для чего рассматривать уже укрупненные элементы – природные тела (атмосферные потоки, почву и её горизонты, водные объекты, фитоценозы, популяции животных и колонии микроорганизмов, грунты и гидрогеологические системы). При моделировании стараются рассматривать по возможности меньшее число элементов. Наиболее рациональный путь упрощения модели – выделение и описание взаимодействия между подсистемами, включающими в себя множество элементов. Важная для природообустройства система «почва – вода – атмосфера - растение» состоит из четырех подсистем, каждую из которых можно описывать более или менее сложной моделью в зависимости от поставленных задач.

Разнообразие Система жизнеспособна только тогда, когда состоит из разнообразных элементов и связей. В геосистемах это свойство выражается в изменчивости и неоднородности свойств компонентов природы в пространстве и может быть детерминированным (упорядоченным, тогда можно говорить о трендах и нанесении на карту распределения некоторой величины) и стохастическим (случайным), т.е. когда какое-то свойство (плотность, пористость, коэффициент теплопроводности и т.п.) меняется из точки в точку, не подчиняясь какой-либо функциональной закономерности. Внутренняя неоднородность и изменчивость повышают устойчивость геосистемы.

Структурность характеризует организацию системы. В геосистемах выражается в виде пространственно-временной упорядоченности (организованности), определенным расположением ее частей и характером их соединения. Различают вертикальную, или ярусную структуру, указывающую на взаиморасположение компонентов, слоистость, и горизонтальную, или латеральную структуру, раскрывающую порядок расположения геосистем низшего ранга. Поэтому нужно рассматривать как вертикальные или межкомпонентные связи, так и горизонтальные, или межсистемные связи. Система без выраженной структуры неустойчива и подвержена случайным воздействиям, которые её «расшатывают». Так ведёт себя песчаная дюна, перемещаемая ветром.

Система со сложной жесткой структурой устойчива, но не способна развиваться и усложняться. Оросительная система, состоящая из насосной станции, трубопроводов, дождевальной техники, выдерживает нормальные эксплуатационные нагрузки, но самовосстанавливаться она не может, и уж тем более не может самопроизвольно, за счет внутренних факторов превратиться во что-то более совершенное.

Системы со средне выраженной структурой занимают промежуточное положение; они обладают достаточной устойчивостью, но способны в некоторых пределах изменяться, а иногда и перестраиваться в другие системы со своей устойчивостью. Так, пожарище со временем превращается в луг, а он сменяется лесом. Создание ПТК разрушает ранее существовавшие природные структуры и вносит новые структуры в геосистемы, что делает их более «жесткими» и может снизить их способность к развитию и адаптации. Если же природные структуры разрушаются или упрощаются человеком (монокультура взамен лугового разнотравья, планировка поверхности и ликвидация микрорельефа), то системы становятся менее устойчивыми из-за меньшего разнообразия.

Четыре отмеченных свойства характерны для всех систем: природных, технических и др. На этих свойствах основаны принципы целостности и необходимого разнообразия, которые позволяют создавать оптимальные техногенные подсистемы природообустройства с учетом наиболее общих закономерностей теории систем.

 

Устойчивость геосистем

Отдельного рассмотрения заслуживает свойство устойчивости геосистем. Часто изменение природных систем в первую очередь отражается на их устойчивости.

Приведем общие критерии природной устойчивости геосистем. Прежде всего, это высокая организованность, интенсивное функционирование и сбалансированность функций геосистем, включая биологическую продуктивность и возобновляемость растительного покрова. Эти качества определяются оптимальным соотношением тепла и влаги, а находят свое выражение, например, в степени развитости почвенного покрова, и, в конечном итоге, в плодородии почв.

Устойчивость геосистем зависит от внутренней неоднородности компонентов и растет с повышением ее ранга. В этом смысле наименее устойчивой является фация – наименьшая геосистема, характеризуемая однородными условиями местоположения и местообитания и одним биоценозом. Фации сильней всего откликаются как на изменение внешних природных условий, так и на деятельность человека. Они наиболее радикально изменяются при природопользовании. Более крупные геосистемы в меньшей степени подвержены изменениям.

 

Общие положения и принципы

Анализ истории развития мелиораций выполнен по отдельным крупным регионам и почвенно-климатическим зонам. Начать этот анализ было целесообразно с пустынной зоны, включающей Среднюю (Центральную) Азию и Закавказье, где к началу XIX века уже имелся многовековой опыт орошения.

К этому времени в государствах рассматриваемых регионов существовала сложная и эффективная система орошаемого земледелия. Орошение играло исключительно важную роль в жизни общества, от него зависело состояние сельского хозяйства - ре­шающей отрасли экономики. Созданные в глубокой древности оросительные системы, непрерывно расширялись и совершенствовались. Анализ истории развития орошения в Средней (Центральной) Азии представляет большой научный и практический интерес по следующим соображениям:

1. Обобщение имеющегося многовекового опыта позволяет оценить, насколько обоснованным было вмешательство России после присоединения Туркестана в развитие туземного орошения, и в какой мере в последующем был учтен этот опыт орошаемого земледелия, обеспечивающий высокую продуктивность орошаемых земель и рациональное использование водных ресурсов.

2. История развития орошения в Средней (Центральной) Азии и Закавказье в период с 1895 по 1990 годы по существу отражает историю развития мелиорации как науки и отрасли хозяйства со всеми ее просчетами и ошибками. Это были своего рода полигоны, на которых методом проб и ошибок отрабатывалась теория и практика орошения земель, и решались важные социально-экономические и политические проблемы (хлопковая независимость, гидроэнергетика и др.).

3. Наконец, насколько обосновано этот опыт был использован при широком развитии орошения в Российской Федерации, в Украине и Молдове, и какие последствия имело это использование.

Основные методы и модели

Для анализа истории развития орошения требуется рассмотрения следующих вопросов:

1. Оценки особенностей региональных природных систем и потребности в орошении и других мелиоративных мероприятиях.

2. Обобщения имеющегося опыта орошения земель.

3. Оценки наиболее эффективных с точки зрения природообустройства путей решения проблемы использования водных и земельных ресурсов.

4. Анализа принимаемых в различное время решений и соответствия их требованиям природообустройства.

Только в этом случае возможен объективный анализ истории развития орошения в различных регионах страны, включающий оценку обоснованности принимаемых решений и последствий их реализации.

Использование системного подхода при оценке особенностей региональных природных объектов позволяет ограничиться анализом основных системных свойств, состава и взаимодействия отдельных компонент и зависимости их от средообразующих факторов. Такой анализ предусматривает использование обобщающих показателей, характеризующих основные свойства, как отдельных компонент, так и объекта в целом. К числу основных свойств природных систем относятся: структура (строение), открытость, целостность и функционирование.

Структура (строение) и целостность природных систем определяется горизонтальной и вертикальной организацией, то есть геоморфологическими, орографическими и геоботаническими условиями, отражающими географическую зональность и представляющими объект как совокупность потоков вещества и энергии. Для анализа этих свойств природных систем могут быть использованы уравнения теплового, водного и геохимического балансов и баланса органического вещества. Анализ структуры и целостности природных систем позволяет оценить общую направленность и интенсивность процессов поступления и расходования вещества и энергии в системе и отвод за ее пределы.

Для определения среднемноголетних элементов регионального водного и солевого балансов должны быть использованы уравнения связи водного и энергетического балансов и результаты геохимических исследований.

В настоящее время существует много методов оценки состояния отдельных природных систем, наибольшее распространение из которых получили методы, основанные на анализе соотношения осадков, испаряемости, суммы активных температур и дефицита влажности воздуха. Не останавливаясь на анализе достоинств и недостатков всех предлагаемых методов, отметим, что для характеристики климатических условий природных систем наиболее подходящим (хотя и не единственным) является «радиационный индекс сухости», предложенный Григорьевым А.А. и Будыко М.И., в основу которого положено отношение радиационного баланса деятельной поверхности к количеству тепла, необходимого для испарения годовых осадков:

Он отражает совокупность основных средообразующих факторов, как для автоморфных

так и для гидроморфных условий

где I_c - радиационный индекс сухости;

R - радиационный баланс, кДж/см² в год;

Ос - годовая сумма атмосферных осадков, см;

L - скрытая теплота парообразования, кДж/см³ год на 1 см слоя воды;

Е г - испарение с поверхности грунтовых вод, см.

Величина I_c характеризует связь энергетического и водного балансов (энергию Солнца, испарение и влагообмен с грунтовыми водами), т.е. основные факторы, определяющие гидрогеологические и геохимические условия.

Преимуществом этого показателя, являющегося одновременно и обобщающей характеристикой приземного слоя атмосферы, состоит в том, что I_c дает представление о балансе тепла и влаги, позволяет оценить тип водного и солевого режимов почв, интенсивность биологических процессов и, самое главное, зависимость почвенно-мелиоративных геоботанических и геохимических условий от этого параметра.

При использовании I_c учитывается идея показателя увлажненности Докучаева. Последнее обстоятельство является очень важным, поскольку дает возможность выявить основные факторы, лимитирующие плодородие почв. Не менее важным является также возможность учета хозяйственной деятельности (орошения) на формирование гидротермических условий

где I_c – индекс сухости в условиях антропогенного воздействия;

W – дополнительное поступление влаги в результате орошения земель или осуществления агролесотехнических мероприятий, см;

R₁ – радиационный баланс в измененных условиях, кДж/см² в год.

где R₀ и R₁ – величины радиационного баланса до и после распашки и освоения земель, кДж/см² в год;

А₀ и А₁ – альбедо в естественных и измененных условиях, в долях от единицы.

Величины испарения, поверхностного и подземного стока определяются из выражений (в относительных величинах):

Для автоморфных условий:

Для гидроморфных условий

где Е а, Е г - испарение в автоморфных и гидроморфных условиях, мм;

Ос -сумма атмосферных осадков, мм;

g_a, g _r - влагообмен между почвенными и нижележащими горизонтами, мм;

th, ch и sh - гиперболический тангенс, косинус и синус;

Δ и Δ_кр –глубина залегания и критическая глубина грунтовых вод.

При изучении динамических свойств рассматриваемой природной системы решающую роль играет функционирование, отражающее механизм формирования и развития системы. Это свойство вытекает из представления о том, что связь между компонентами внутри системы значительно устойчивее, чем связь между сопредельными системами. Специфику системы определяют в основном свойства и взаимодействие отдельных компонент природы. Таким образом, для оценки функционирования, как свойства природной системы, необходимо знать обобщенные характеристики основных компонент и связи их между собой и средообразующими факторами.

Обобщенные (интегральные) показатели отдельных компонент природных систем должны отвечать следующим основным требованиям:

универсальности, то есть возможности характеризовать основные свойства каждой компоненты;

интерпретируемости с точки зрения экологии, экономики и управления;

связи с основными средообразующими факторами.

К основным средообразующим факторам, определяющим формирование почвенно-мелиоративных и экологических условий природных систем, следует отнести, в первую очередь, ресурсы солнечной радиации и естественного увлажнения.

 

Рис. 2.1. Факторы почвообразования (А), водно-физические (Б) и физико-химические (В) свойства почв [17]:

I - гумидная зона; II - степная зона; III - сухостепная зона; IV - пустынная зона;

1 – отношение R/LOc

2 - отношение ежегодного опада к биомассе;

3 - энергия почвообразования;

4 – содержание частиц < 0,001 мм;

5 - влажность почв;

6 - аэрация почв;

7 - содержание водопрочных агрегатов;

8 - доступность питательных элементов;

9 - отношение гуминовых кислот к фульвокислотам;

10 - величина ППК;

11 - содержание гумуса;

12 - величина рН

Обобщенными показателями для растительности, как элемента природной системы, могут служить биоразнообразие и биопродуктивность. И тот, и другой показатель связаны с «индексом сухости» (I_c); максимальные значения биоразнообразия и биопродуктивности в природных условиях соответствуют значениям R = 1,0 -1,2.

Индекс биоразнообразия, учитывающий число видов растений, характеризует экологическую устойчивость и определяется как

Биологическая продуктивность растительности определяется фотосинтетически активной радиацией, коэффициентом ее использования растениями и калорийностью сухого остатка вещества

где - относительная продуктивность;

Б и Бо- продуктивность и потенциальная продуктивность, т/га;

ФАР – величина фотосинтетически активной радиации, мДж/га;

h - коэффициент полезного использования ФАР растениями (h=0,005…0,03);

q – калорийность сухого органического вещества. q = (18…20)·10³ мДж/т;

a₁ – коэффициент, характеризующий состояние растительности;

A = 3 –коэффициент пропорциональности.

В качестве обобщающего показателя для почв может быть использован «индекс плодородия почвы», характеризующий как «естественное», так и «экономическое» плодородие:

где S - индекс плодородия, характеризующий относительное плодородие почв, баллы; G_Г и G_Ф - запасы гуматного и фульватного гумуса, т/га; N, Р, К- относительное содержание элементов минерального питания, в долях от максимального их содержания в почве; Н _г - гидролитическая кислотность, мг-экв/100 г; а ₂, b, γ, а ₃- коэффициенты пропорциональности: а₂ =0,011 га/т; b = 8,5; γ= 5,1; a₃=4 мг-экв/100 г.

 

Требования к использованию природных ресурсов

Выполненный анализ позволил не только выявить направленность природных процессов и зависимость их от характера и интенсивности хозяйственной деятельности, но и сформулировать требования к рациональному использованию природных ресурсов в зависимости от особенностей природных условий. Общим для всех экономических районов является:

оптимизация структуры ландшафтов, то есть создание необходимого экологического каркаса, представляющего собой определенное (оптимальное) соотношение различных биотических и абио