Современные эколого-мелиоративные технологии: идеи и разработки

DOI:

Современное эффективное сельскохозяйственное производство двигается по пути интенсификации, то есть одной из главных целей является получение максимальной отдачи с каждой единицы площади сельскохозяйственных угодий. Это неизбежно приводит к увеличению техногенной нагрузки на агроландшафты, элементами которой являются различные воздействия – механическое и химическое воздействие на почву, мелиоративные оросительные и осушительные мероприятия и др., что, соответственно, требует применения контрмер, снижающих негативные эффекты интенсификации сельскохозяйственного производства, которое является основой жизнеобеспечения общества в долговременной перспективе. Оно же является и источником экологических, энергетических и социальноэкономических противоречий, поскольку непосредственно влияет на сохранение природных ландшафтов, плодородие почвы, чистоту воздуха и воды, качество пищи и сырья. Данная взаимосвязь определяет необходимость перехода к адаптивной стратегии интенсификации сельскохозяйственного производства, главной особенностью которой должна стать наукоемкость.

Учитывая, что ежегодно в России деградирует 1,5–2 млн га земель, что в зерновом эквиваленте составляет около 3,9 млн т продукции, остро стоит вопрос о развитии научного земледелия, технологии которого должны быть адаптированы на «микро» уровне, то есть на уровне конкретного поля.

На современном этапе развития, учитывая взаимосвязь факторов и условий выращивания сельскохозяйственных культур, довольно трудно отдать предпочтение какому-то одному направлению исследований, при этом необходимо отметить, что наибольшей адаптивной эффективностью будет обладать решение, принятое на основе широкой вариабельности сочетаний различных технологий, охватывающих весь производственный процесс в растениеводстве.

Одним из важнейших условий интенсификации сельскохозяйственного производства и научно-технического прогресса в сельском хозяйстве, особенно в засушливых условиях Волгоградской области, являются оросительные мелиорации, обеспечивающие возмож- ность повышения урожайности, создания прочной кормовой базы животноводства.

Мелиорация позволяет создавать благоприятные для полезной флоры и фауны водный, воздушный, тепловой и пищевой режимы почвы, режимы влажности, температуры и движения воздуха в приземном слое атмосферы, способствует оздоровлению местности и улучшению природной среды.

Задачи в области мелиорации требуют повышения экологичности, производительности, качества и интенсификации мелиоративных работ.

Решение поставленных задач возможно только на основе совершенствования и создания высокопроизводительной экономичной техники, автоматизации ее работы и повышения комплексной механизации работ.

Учеными Поволжского НИИ экологомелиоративных технологий разработаны оригинальные конструкции дождевальных машин, механизмов и орудий, применение которых обеспечивает снижение затрат на возделывание сельскохозяйственных культур (экономическая составляющая, обеспечивающая конкурентность продукции), увеличение урожайности культур, значительное уменьшение ирригационной эрозии при применении высокопроизводительной дождевальной техники и тем самым практически исключение негативного воздействия на сопрягающие ландшафты (социальная и экологическая составляющие) [3–7; 17; 18; 20; 22; 23].

Бурное развитие отечественного животноводства, вызванное запретительными санкциями западных стран, обусловило строительство крупных животноводческих комплексов с гидравлическим удалением навоза, что сопровождается большим объемом сточных вод, требующих безопасной утилизации или использования.

Технологии утилизации животноводческих стоков имеют свои особенности, обусловленные тем, что они, с одной стороны, обладают высоким удобрительным потенциалом, а с другой – тем, что в них заключается большое количество различного рода химических и бактериальных загрязнений, представляющих опасность для окружающей среды и являющихся потенциальным источником многих заболеваний, в связи с продолжительной жиз- недеятельностью болезнетворных микроорганизмов в стоках.

Своевременное удаление навоза и навозной жижи позволяет предупредить скопление внутри животноводческих помещений углекислого газа, метана, сероводорода и других вредных газов и тем самым улучшить микроклимат ферм. Территория, окружающая крупное животноводческое хозяйство, также загрязняется от постоянно возрастающих скоплений навоза. Вокруг таких ферм в почве увеличивается количество так называемой условнопатогенной микрофлоры, в том числе кишечной палочки, протеуса, яиц гельминтов и т. д. При нарушении режима содержания и кормления скота эти микроорганизмы способны вызвать тяжелые заболевания, особенно у животных в раннем возрасте.

Основой жизнедеятельности является обмен между организмами и окружающей средой: одни организмы потребляют и усваивают необходимые вещества и отдают ненужные, переработанные и бесполезные для него. Другие организмы умеют перерабатывать сложные вещества, разбирая их до простейших элементов, и возвращать их в прежнее состояние для нового употребления. Природа, сомкнув начальное и конечное звенья трофической цепи, превратила прямую линию поступательного движения в кольцевую и, следовательно, в бесконечную. При этом главным условием является соизмеримость объемов поступления и переработки, в противном случае может наступить экологическая катастрофа.

Природные комплексы и входящая в них гидрографическая сеть способны к самоочи-стке от различных загрязнителей, однако ее интенсивность зависит от мощности нагрузки. Крупные животноводческие комплексы являются региональными источниками загрязнения агроландшафтов. Они располагаются в различных ландшафтно-географических зонах и являются крупными антропогенными включениями, оказывающими существенное влияние на состояние окружающей среды. Сброс неочищенных сточных вод в компоненты окружающей природной среды приводит к негативным последствиям, а в некоторых случаях – и к необратимым нарушениям экологии агроландшафтов.

Благодаря своему составу животноводческие стоки для сельского хозяйства являются источником органического удобрения, а для водного хозяйства – источником загрязнения подземных и поверхностных вод.

Наиболее перспективное направление в решении проблем охраны водных ресурсов и экономного их расходования – использование животноводческих стоков для орошения сельскохозяйственных культур.

В результате воздействия микроорганизмов, находящихся в почве, происходит естественная очистка стоков, а органические и минеральные вещества, содержащиеся в них, способствуют повышению плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур. В результате такого использования обеспечивается круговорот биологически важных элементов почвенного плодородия для земель, надежная охрана водных ресурсов и окружающей среды от загрязнения.

Проблемами в этой сфере также занимаются ученые Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий» (далее – Институт).

Разработаны конструкции и элементы оросительных систем с использованием для орошения животноводческих сточных вод, для различных регионов России (по обеспеченности осадками) проведены исследования и разработаны рекомендации по режимам орошения кормовых культур, технологиям внесения стоков и критическим обьемам их внесения без нарушения экологического состояния окружающей среды [3; 13; 18].

Задачей научного сопровождения сельскохозяйственного производства является разработка и внедрение технологий и их элементов, а также машин и механизмов, максимально адаптированных к условиям конкретного поля с целью получения заданного уровня урожайности без нарушения экологического равновесия в орошаемых агроландшафтах.

В соответствии с Госзаданием по теме 0717-2014-0001 в Институте ведутся научные исследования по определению факторов, влияющих на эксплуатационную надежность и долголетие гидротехнических сооружений (ГТС), а также по разработке новых конст- рукций гидротехнических сооружений для повышения эффективности их работы. В результате исследований создана конструкция про-тивофильтрационных одежд каналов с применением полимерных материалов и ведутся работы по разработке технологии нанесения противофильтрационных покрытий в процессе эксплуатации гидротехнических сооружений [10; 24].

Применение оросительных мелиораций возможно только при функционировании бесперебойной и эффективной инфраструктуры по траспортировке воды от водоисточника до потребителя (растения). Эффективность должна обеспечиваться на каждом этапе транспортировки водных ресурсов, начиная от головного водозаборного сооружения и заканчивая распределительной оросительной сетью и устройствами и конечными устройствами доставки оросительной воды.

Эффективность транспортировки воды во многом зависит от состояния инфрастук-туры, поэтому разработка устройств и технических решений для поддержания работоспособности оросительных систем актуальны, в Институте созданы и запатентованы устройства для поддержания открытой оросительной сети в работоспособном состоянии [28].

Наиболее дешевым в устройстве и востребованным способом доставки оросительной воды является транспортировка самотеком по каналам, прокладываемым в грунте, а самым широко применяемым материалом для возведения гидротехнических сооружений, облицовки каналов инфрастуктуры транспортировки воды – бетон и железобетон.

Согласно теме 0717-2014-0002 «Разработать технологии и способы ультразвукового исследования водно-физических свойств почв и грунтов на мелиоративных системах» в Институте проводятся исследования по разработке методов и способов неразрушающего экспресс-контроля значений физических характеристик грунтов гидротехнических сооружений на основании использования достижений ультразвуковой дефектоскопии, исследуется взаимосвязь скорости распространения ультразвуковых колебаний и основными характеристиками грунтов, такими как влажность и плотность. В результате математической обработки результатов экспериментов полу- чены номограммы для определения искомых характеристик [1].

Самыми главными показателями качества бетона гидротехнических сооружений являются его прочность, водонепроницаемость и морозостойкость. Существует большое количество стандартных методов определения этих показателей, но в основном это лабораторные методы. Для осуществления диагностики технического состояния бетона гидротехнических сооружений в процессе эксплуатации в Институте в рамках темы 0717-2014-0004 «Разработать экспресс-методы неразрушающего ультразвукового контроля водопроницаемости бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений» разработаны неразрушающие методы диагностирования прочности и водонепроницаемости облицовок каналов и бетона тела ГТС. Суть методов заключается в использовании установленных в результате исследований зависимостях между скоростью распространения ультразвуковых колебаний в бетоне сооружений и показателями, характеризующими качество материала сооружения [1; 11; 19].

Разработанные методики позволяют значительно сократить временные и трудовые затраты на обследование технического состояния при сохранении качества и точности определения требуемых показателей, своевременно определять участки с неудовлетворительным состоянием конструкций, что сокращает затраты на ремонт и предотвращает возникновение чрезвычайных ситуаций. Кроме того, ремонт ГТС часто требует остановки их работы, что далеко не всегда возможно, поэтому часть исследований Института посвящена разработкам технологий ремонта в процессе эксплуатации, разработан способ ремонта повреждений гидротехнических сооружений без их остановки [11; 25].

Важным элементом мелиоративных технологий является удовлетворение потребностей растения во влаге, что достигается различными приемами и способами, из которых наиболее распространено орошение. Научные исследования, направленные на разработку устройств и способов для всех видов орошения сельскохозяйственных культур, являются одним из приоритетных направлений работы Института и выполняются в соответствии с темой 0717-2014-0005 «Разработать высокоэффективные инновационные технологии и технические средства повышения качества оросительной воды». Разработаны системы орошения на основе оригинальных устройств, позволяющих эффективно проводить дождевание, капельное и внутрипочвенное орошение. Много внимания уделяется вопросам техники обработки почвы, разработаны новые экологичные почвообрабатывающие орудия [2–7; 22; 23].

Получение устойчивых экологически чистых урожаев во многом зависит от качества поливной воды. Известно, что изменением свойств воды физическими или химическими методами возможно регулирование процесса роста растения. В разработках Института большое внимание уделяется изучению влияния на растения структурированных водных растворов, получаемых в процессе электрохимической активации.

Основным элементом оригинальных устройств для структурирования воды, разработанных в Институте, является реактор, который чаще всего представляет собой камеру между металлическими катодом и анодом, разделенную на две части водопроницаемой мембраной. При подаче электрического тока на анод и катод происходит процесс электролиза и вода в камерах изменяет свой окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Полученная таким образом вода с измененным ОВП используется при интенсивном возделывании сельскохозяйственных культур [8; 9; 26; 27].

Исследования по разработке технических средств электрохимической активации и влияния электрохимически активированной воды на растения показали эффективность ее применения для повышения всхожести семян, скорости роста и ускорения развития растений овощных и пропашных сельскохозяйственных культур, обработка растений электрохимически активированной водой подавляет развитие болезней растений и благотворно влияет на фитопатогенное состояние посевов [12; 14–16; 20; 21; 29; 31].

Исследования поведения структурированной воды в системах капельного орошения, проводимые по теме, позволили разработать компьютерную модель для прогнозиро- вания состояния электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений в системе капельного орошения, что обеспечивает надежный прогноз распределения активационных параметров состояния оросительной воды (или водных растворов минеральных удобрений) в системе капельного орошения [30].

Разработанная и запатентованная система электроактивации жидких сред позволяет значительно уменьшить расходы энергии при получении экологически чистой воды (без хлора, диоксинов) и интенсифицировать технологические процессы в сельском хозяйстве методом «альтернативного земледелия» на основе применения реструктурированной воды [15].

Результаты выполненных фундаментальных исследований являются основой для разработки современной комплексной технологии эффективного оздоровления и повышения продуктивности агроэкосистем при отсутствии негативного воздействия на окружающую среду.