Гидротехнические мелиорации

11

весные породы, более требовательные к минеральному богатству почвы, то следует считаться с зольностью торфа. Успешный рост еловых древостоев наблюдается при зольности торфа 9 - 10 %, а болота с зольностью торфа менее 6 - 7 % малопригодны для выращивания производительных ельников.

Агрохимические свойства почвы являются определяющими при выявлении потенциального плодородия почв. Они могут быть охарактеризованы общим содержанием золы, элементами, входящими в ее состав, количеством содержащегося азота, фосфора, калия и степенью насыщенности основаниями. Осушение болот мобилизует естественное плодородие торфяных почв. Запасы зольных элементов и азота, а также кислотность торфа образуют агрохимический фон почвы.

Под плодородием почвы понимают ее способность удовлетворять потребности растений в воде и элементах питания, а их корневых систем – в достаточном количестве тепла и воздуха, благоприятной физико-химической среде.

Наряду с агрохимическими свойствами почвы большое значение имеет химический состав грунтовых вод. Условия водноминерального питания определяют развитие торфяных почв и служат основой классификации болот [9, 28].

Н. И. Пьявченко (1959, 1974) разработал классификацию заболоченных лесов и групп эффективности осушения по типам леса.

В настоящее время установлено, что содержание кальция в торфяных водах можно принять за критерий при определении типа минерального питания болот [7]. Минерализация грунтовых вод зависит от степени проточности, характера минерального грунта, характера сложения и состава окружающих суходолов, питающих грунтовыми и поверхностными водами болото.

Стоковые воды болот более минерализованы, чем сами болота. В результате осушения болот вместе со стоковыми водами вымываются питательные вещества, необходимые для развития растений.

12

Заболоченные и болотные леса характеризуются очень низкими значениями годичного прироста. Осушение же заболоченных лесов влечет за собой повышение их прироста в 4 - 5 раз. Благодаря гидролесомелиорации годичный прирост древостоев с 1 га осушенной площади увеличивается в среднем на 3 - 5 м3 [7].

Отзывчивость древостоев на осушение и энергия роста зависят от потенциального плодородия почв, возраста и размеров дерева. Н. И. Жудра, исследуя результаты осушения в Московской, Рязанской, Владимирской губерниях, сделал вывод, что осушение увеличивает прирост древесины на 10 - 60 % и более. Он отмечал, что увеличение прироста зависит от возраста осушаемого леса, мощности торфа, состояния леса до мелиорации. Д. М. Кравчинский писал, что различие в эффективности лесоосушения объясняется глубиной торфа.

Г. Д. Эркин установил, что рост леса на осушенных болотах Белоруссии зависит от возраста и бонитета древостоя до осушения, мощности и качества торфа, давности осушения, породного состава леса, типа болот. А. Д. Дубах пришел к выводу, что скорость реакции на осушение в условиях Ленинградской области зависит от возраста древостоя, а наибольший прирост наблюдается в приспевающих древостоях [10]. М. П. Елпатьевский отмечал, что низкобонитетные молодняки сосны дружно реагируют на осушение, бонитет возрастает на 4 - 5 классов.

Известно, что осушение болот резко меняет экологическую обстановку. При этом, как отмечает И. А. Алексеев, временное повышение классов текущего бонитета древостоев до II - IV может сопровождаться большим количеством патологического отпада [1]. На осушенных площадях в древостоях возникают очаги усыхания от корневой губки, которые могут свести на нет получаемый эффект от осушения. Между тем эффективность осушения нельзя доказывать без учета санитарного состояния древостоев.

13

Часть 1 ОСУШИТЕЛЬНЫЕ МЕЛИОРАЦИИ

1 ОСУШЕНИЕ ЛЕСНЫХ ЗЕМЕЛЬ

Территория России в границах бывшего СССР характеризуется значительной степенью заболоченности. Доля болот и прочих переувлажненных земель в лесном фонде в среднем превышает 20 %, а во многих районах европейской части и Западной Сибири – 40 - 50 %.

В этих условиях повышение производительности лесов на сегодня должно оставаться одной из главных задач лесного хозяйства, их дальнейшее хозяйственное освоение и охрана от пожаров на таких землях, связанные в первую очередь со строительством лесохозяйственных дорог, невозможны без проведения осушительной гидротехнической мелиорации.

Для успешного решения задач, стоящих перед лесоосушительной мелиорацией, необходимо знать закономерности развития заболачивания в разнообразных условиях среды, типы болот и заболоченных лесов, их географическое распространение, строение, состав и химические свойства торфяных почв, лесорастительные свойства болотных почв.

1.1. Водопроницаемость осушаемых почв

Для осушения существенное значение имеет знание таких основных свойств почв, как водопроницаемость, влагоемкость, водоотда-

14

ча и т.д. Водопроницаемость – это свойство почвы проводить воду, она обусловливает действие осушительных каналов, их глубину и расстояние между ними. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации Кф, который входит в формулу для определения расстояния между каналами [3].

Большое влияние на передвижение влаги в почве оказывают пустоты, которые получаются в результате образования торфа из растений, отличающихся различной скоростью разложения, наличия полуразложившихся пней, корней и целых деревьев [10].

Благодаря специфическим особенностям состава и структуры торфа, определяющимся его органическим происхождением, Кф, как показывает опыт, уже не является для него постоянной характеристикой. Для одного и того же вида торфа Кф может изменяться в широких пределах.

Известно, что в результате осушения происходит разложение и уплотнение торфа, а следовательно, и уменьшение водопроницаемости. Однако водопроницаемость торфа остается значительной и после осушения; этому способствуют и корневые системы, которые рыхлят верхнюю толщу торфа.

Коэффициент фильтрации увеличивается при переходе от низинного типа торфяной залежи к верховому типу и зависит от степени разложения торфа. С увеличением степени разложения торфа Кф уменьшается, что соответствует опубликованным данным К. П. Лундина (1964) и др.

В ряде работ засвидетельствовано уменьшение Кф с увеличением глубины торфяной залежи. Данные показывают, что Кф зависит также и от ботанического состава торфа. Магелланикум-торф характеризуется наибольшими значениями Кф. Осоково-низинный торф имеет меньшие значения Кф. При почти равной степени разложения водопроницаемость осоково-низинного торфа примерно в два раза больше, чем древесно-низинного. Коэффициент фильтрации торфа в зависимости от его вида, степени заложения, состава и глубины слоя

15

колеблется в широких пределах. Значения Кф торфяной залежи по глубине на осушенных болотах зависят главным образом от структурных изменений, происходящих в фильтрующей среде вследствие двух основных процессов: с одной стороны, осадки торфа при снижении УГВ, а с другой – уменьшения набухания органического скелета в зоне аэрации и колебания УГВ, амплитуда которых на осушаемых массивах значительно больше, чем на неосушенных. Осадка торфа приводит к уплотнению его скелета, а следовательно, к уменьшению Кф. Фильтрация воды является интегральной характеристикой почвы, отражающей ее важнейшие физические свойства, знание которых используется для определения межканальных расстояний гидрологическим методом, т.е. Кф обусловливает действие каналов, их глубину и расстояние между ними. Кф зависит от вида торфа. При уменьшении степени разложения торфа Кф увеличивается, с увеличением глубины значение Кф убывает.

1.2. Норма осушения заболоченных земель и расстояние между регулирующими каналами

Понятие «норма осушения» введено в гидромелиоративную науку акдемиком А. Н. Костяковым [17]. Под нормой осушения при осушении лесных земель понимается глубина, на которую следует понизить грунтовые воды для создания оптимального водновоздушного режима почв и нормального роста древостоя. Первые придержки по нормам осушения на основе собственных исследований и литературных данных привел академик А. Д. Дубах. Он отмечал, что для лесовыращивания на торфяных землях необходимо понижать грунтовые воды на 30 - 50 см, на минеральных – до 70 см. Широкие исследования норм осушения выполнены Х. А. Писарьковым и П. И. Давыдовым [24].

Исследования норм осушения, проведенные в различных зонах страны, показали, что величины их по зонам довольно близки, изме-

16

няясь большей частью в пределах 40 - 60 см для торфяных почв, увеличиваясь до глубины 70 - 90 см для минеральных земель.

Расстояние между каналами регулирующей сети в значительной степени определяет величину и скорость понижения почвенногрунтовых вод на осушаемой площади. В природных условиях действие осушительных каналов зависит от многих причин: типа водного питания, соотношения величин осадков и испарения, глубины залегания водоупора на болотных почвах и характера подстилающего торф грунта, глубины осушителей, уклона поверхности осушаемого участка, состояния древостоя (состава, возраста, полноты, класса бонитета) и др.

Все причины с необходимой точностью учесть сложно, поэтому в практике проектирования осушительных систем используют несколько методов определения расстояний между осушительными каналами.

Гидрологический метод основан на скорости понижения уровня грунтовых вод на требуемую глубину за определенное время. Для расчета расстояния между каналами по этому способу существует несколько формул. В условиях близкого залегания водоупора наиболее совершенной является формула проф. Х. А. Писарькова. Для использования этого метода надо знать норму осушения, физические свойства грунта и гидрометеорологические данные о районе осушения.

Лесоводственный метод основан на выявлении влияния осушения на рост леса по мере удаления от каналов. При определении оптимального расстояния между осушителями ставится условие, что разница в продуктивности древостоя у канала и в межканальной полосе должна быть не более одного класса бонитета. Путем лесотаксационной обработки серии пробных площадей от одного осушителя до другого устанавливается их продуктивность. Расстояние от канала до участка, где снижается продуктивность на один класс бонитета, дает половину расстояния между осушителями.

17

Технико-экономический метод разработан Е. Д. Сабо [31]. Этот метод выявляет наибольшую рентабельность средств, вкладываемых в осушение. Основой его является наивыгоднейшее соотношение расходов на осушение и доходов от него.

Комплексный метод предлагает определять расстояние между осушительными каналами на основе всех вышеизложенных методов.

1.3. Характеристика общефизических свойств торфа

Питательные вещества, сосредоточенные в торфе, в естественных условиях болот малодоступны для растений. Избыток воды и дефицит кислорода в неосушенных торфяных почвах перекрывает значение качества торфа в жизни леса. Осушение в первую очередь влияет на изменение водно-воздушного режима, и уже через него спустя довольно длительное время – на пищевой. Осушение болот мобилизует естественное плодородие торфяных почв. Несмотря на большую теоретическую и практическую значимость изучения влияния качества торфа на рост леса после осушения, исследованию этого вопроса уделяется недостаточное внимание.

Первое принципиально верное объяснение причин различного эффекта осушения было дано Н. И. Жудрой. Еще в 1896 году он писал, что если до осушения успешному росту деревьев препятствовал не только избыток влаги, но и плохие физико-химические свойства почвы, то после осушения не всегда наблюдается улучшение роста; если же рост деревьев лимитировался только избытком влаги, то осушение всегда эффективно.

В дальнейшем исследователи различную эффективность осушения стремились увязать с глубиной торфа. Предполагалось, что чем толще слои торфа, тем он менее пригоден для лесовыращивания [17]. Г. Д. Эркин (1934) пришел к выводу, что эффект осушения зависит от условий местопроизрастания, ботанического состава и типа торфа.

18

Общепризнано, что основное влияние на эффективность осушения оказывают общефизические свойства торфа: зольность, ботанический состав, степень разложения, объемная масса (плотность сложения), а также содержание в нем азота и элементов минерального питания.

Плотность сложения торфяных почв в связи с рыхлостью сложения торфа очень мала по сравнению с минеральными почвами. Она играет важную роль в определении богатства торфяных почв. Чем больше плотность сложения, тем плотнее почва, тем больше содержание в единице объема питательных веществ. Ряд авторов указывает на тесную связь между плотностью сложения и содержанием элементов питания в торфе [7-9 и др.]. С плотностью сложения тесно связана степень разложения. В. Д. Лопатин и Г. Е. Пятецкий [18] вывели уравнение зависимости между плотностью сложения и степенью разложения торфов естественных и осушенных земель. Степень разложения является важным свойством торфа. Целый ряд физических и химических свойств связан со степенью разложения.

В зависимости от степени разложения определяют торф с точки зрения потенциального плодородия. Так, при увеличении степени разложения повышается зольность. Степень разложения увеличивается от верховых болот к низинным с 10 % до 45 %, соответственно увеличивается и зольность нормально-зольных торфов с 2,3 % до 8,9 %. Высокие показатели зольности свидетельствуют о богатстве торфа минеральными элементами питания растений. Различные типы торфяников и слагающие их виды торфа обладают различной кислотностью. Торф верховых болот, бедный питательными веществами, имеет высокую кислотность рН = 2,7, которая убивает микрофлору и препятствует разложению торфа. Торф низинных болот имеет слабокислую реакцию рН = 5,7, он более богат питательными веществами. Но такое резкое отличие степени кислотности между верховыми и низинными болотами не всегда выражено. И среди низинных болот могут встречаться торфяники с повышенной кислот-

19

ностью. Все зависит от состава растений, слагающих торфяники, и химизма вод, питающих их.

Торф может состоять из одного, а чаще из нескольких видов рас- тений-торфообразователей. Растения-торфообразователи верховых болот (сфагновые мхи, пушица, кустарнички) содержат очень мало питательных веществ. Даже невооруженным глазом в торфе можно легко различить не успевшие разложиться частицы растений и бесструктурную буровато-коричневую массу – гуминовые вещества. Анализ торфа показал, что чем меньше в торфе гумуса, тем меньше степень разложения.

Торфяные почвы, обладая определенными морфологическими свойствами и водно-физическим состоянием, характеризуются различным ботаническим составом, степенью разложения, влажностью, реакцией среды и другими агротехническими показателями. Все эти свойства находятся в тесной связи друг с другом.

Каждый вид торфа характеризуется присущими ему степенью разложения, кислотностью и запасами элементов минерального питания и азота. Зольность торфа является суммарным выражением запаса в нем минеральных элементов и показателем содержания общего азота.

1.4. Агротехнические показатели осушаемых торфяных почв

Для того чтобы уверенно судить о плодородии торфяных почв (а этим в значительной степени определяется выбор правильного пути их использования), нужно знать не только их физико-механи- ческие, но и химические свойства. О некоторых из них (зольность, степень разложения) уже говорилось. Остановимся на химическом составе торфа. Он довольно сложен. С одной стороны, химический состав определяется элементами, входящими в состав торфообразующей растительности, с другой – режимом водного питания болот, которое является решающим. Этим объясняется тот факт, что

20

наибольшего богатства достигают почвы низинных болот, а наименьшего – верховых. Как правило, содержание основных питательных веществ увеличивается по мере возрастания степени разложения торфа и его зольности.

Знание влияния некоторых факторов почвенной среды на рост и развитие древостоев в различных природно-климатических условиях, различной степени осушения и неодинакового плодородия совершенно необходимы для научного обоснования проведения мелиорации. Производительность древостоев, формирующихся на осушаемых землях, зависит в основном от обеспеченности мелиорируемых объектов элементами питания. Наиболее важными из них являются азот, фосфор, калий, кальций, железо и др.

Азот содержится в торфяных почвах в основном в виде органических соединений. Содержание азота в торфяных почвах определяется типом торфа, его ботаническим составом и степенью разложения, нарастающей от верховых болот к низинным, от менее разложившихся к более разложившимся торфам.

Калий является одним из основных элементов питания растений. Во всех подтипах торфяных почв калий находится преимущественно в водорастворимой и обменной формах.

Фосфор также является одним из основных элементов питания. Максимальное содержание фосфора в торфяных почвах приурочено к самому верхнему слою, что свидетельствует о ярко выраженной его биологической аккумуляции (Ефимов, 1986).

Роль кальция в процессах болотного почвообразования очень велика. М. Н. Никонов (1955) считает, что кальций регулирует почвенную кислотность, является регулятором торфообразовательного процесса. Лучшая обеспеченность растений-торфообразователей кальцием ведет к более интенсивной их минерализации и гумификации, к большому накоплению гумусовых и зольных веществ.

Железу принадлежит большая роль в болотном почвообразовании и питании растений. Оно активно взаимодействует с гуму-