В сельском хозяйстве , каменный дренаж представляет собой тип дренажной системы , которая удаляет избыток воды из почвы ниже ее поверхности. В то время как орошение - это практика подачи дополнительной воды в почву, когда она естественным образом слишком сухая, дренаж снижает влажность почвы и, таким образом, увеличивает количество воздуха в ее порах, чтобы улучшить условия для оптимального роста сельскохозяйственных культур. В то время как поверхностные воды можно отводить насосом, открытыми канавами или и тем, и другим, плиточный дренаж часто является наиболее разумным методом слива подземных вод.
Выражение «дренаж из плитки» происходит от его первоначального состава - плитки из обожженной глины , то есть керамики , которая была похожа на терракотовые трубы, но не всегда имела форму труб. В 19 веке плитку-швеллер в форме буквы «С» обычно помещали в виде арки поверх плоской плитки, называемой «кружкой» и «подошвой» соответственно. Сегодня кафельный дренаж - это любая вариация этой оригинальной системы, работающая в том же режиме. Обычно используются трубы из ПНД и ПВХ, именуемые «линией плитки», хотя по-прежнему используются сборный железобетон и керамическая плитка.
Избыточные подземные воды вредны для сельского хозяйства, поскольку они заполняют поры почвы и удаляют содержащийся в них воздух. Корням растений требуется определенное количество воздуха для жизни и роста, поэтому избыток подземной воды тормозит их рост и, если он лишает их воздуха на достаточное время, вызывает их гниение и гибель. Такое повреждение корней сельскохозяйственных культур препятствует или убивает рост сельскохозяйственных культур над землей. Кроме того, даже если исключить повреждение корней сельскохозяйственных культур, другой важной причиной дренажа является то, что избыток воды может ограничить доступ к земле, особенно для тяжелой техники: автомобили и прицепы тонут и разрывают влажную почву и могут застрять в ней. Это. Доступ к полю имеет решающее значение, потому что большая часть современного сельского хозяйства зависит от использования тяжелой техники для обработки посевного ложа; посадить урожай; обработайте почву после посадки; применять удобрения, гербициды, пестициды и так далее; и урожай.
Повышение урожайности
Большинство сельскохозяйственных культур требуют определенных условий влажности почвы и плохо растут на влажной и илистой почве. Даже в незагрязненной почве корни большинства растений не прорастают намного глубже уровня грунтовых вод. В начале вегетационного периода, когда воды достаточно, растения маленькие и не требуют большого количества воды. В это время растениям не нужно развиваться корнями, чтобы добраться до воды. По мере роста растений и использования большего количества воды воды становится все меньше. За это время уровень грунтовых вод начинает падать. Затем растениям необходимо отрастить корни, чтобы добраться до воды. В периоды засухи уровень грунтовых вод может падать быстрее, чем скорость, с которой растения отрастают корни, чтобы достичь его, что может серьезно повредить растениям.
Установив плиточный дренаж, уровень грунтовых вод эффективно понижается, и растения могут правильно развиваться корнями. Отсутствие водонасыщенности почвы позволяет кислороду оставаться в порах почвы для использования корнями. Дренажная плитка предотвращает попадание корней под уровень грунтовых вод во влажные периоды, что может вызвать стресс у растений. Удаляя лишнюю воду, растения более эффективно используют воду, к которой имеют доступ их корни. Увеличение урожайности можно охарактеризовать как побуждение растений к развитию большего количества корней, чтобы они могли поглощать больше питательных веществ и воды.
Тот же принцип действует и в горшках для комнатных растений: их дренажные отверстия на дне удаляют излишки воды из среды, так что воздух может заполнить поры среды и быть доступным для корней, которые, если они лишены воздуха из-за насыщения среды. среда с водой в течение достаточного времени будет гнить и погибнуть. Установка плиточного дренажа на поле в виде сетки дает тот же эффект для поля в несколько сотен акров.
Сантехника водосточной плитки
В плиточной дренажной системе под поверхностью сельскохозяйственных полей устанавливается своего рода «водопровод», фактически состоящий из сети подземных труб, которые позволяют подземным водам выходить между частицами почвы и в линию плитки. Вода, протекающая через линии плитки, часто в конечном итоге попадает в точки поверхностных вод - озера, ручьи и реки, - расположенные на более низкой высоте, чем источник. Вода попадает в линию плитки либо через зазоры между секциями плитки, в случае более старых дизайнов плитки, либо через небольшие перфорации в современной пластиковой плитке. [1] Установка плитки или линии плитки может включать траншеекопатель ( Ditch Witch ), плуг , экскаватор или другое тяжелое оборудование .
Тип почвы сильно влияет на эффективность плиточных систем и определяет степень, в которой площадь должна быть облицована плиткой, чтобы обеспечить достаточный дренаж. Более песчаные почвы потребуют небольшого дополнительного дренажа, если таковые потребуются, в то время как почвы с высоким содержанием глины будут удерживать воду более плотно, и линии плитки будут располагаться ближе друг к другу.
Обслуживание
Корни деревьев живой изгороди и ветрозащитных деревьев естественным образом привлекают благоприятные условия полива, обеспечиваемые плиткой соседних полей или линиями плитки. Гидротропизм играет роль, поскольку корневые волоски на динамически исследующих кончиках корней деревьев по-разному реагируют на более влажные и более сухие трещины, обмениваясь гормональными сигналами с остальной частью дерева, что побуждает их сосредоточиться на продвижении в такие благоприятные ниши. В перфорациях дренажных линий плитки, а также в потрескавшихся или заржавевших водопроводах и канализационных трубах под улицами города эти корни находят идеальное сочетание входа для входа и обильного водоснабжения за ним. В результате в любой из этих трубопроводных систем иногда возникают засоры, и их необходимо устранять с помощью змеевика , извилистого резака , выбора копания и вытягивания и аналогичных методов. В некоторых регионах фермеры должны проводить постоянное обслуживание дренажных линий плитки, чтобы они оставались открытыми и работающими правильно, с хотя бы некоторой очисткой каждый год в той или иной части системы. [2] : 304–305
История плиточного дренажа
Древнеримские авторы Катон Старший и Плиний Старший описали плиточные дренажные системы в 200 г. до н.э. и в первом веке нашей эры соответственно. По данным Johnston Farm [3] плиточный дренаж был впервые представлен в Соединенных Штатах в 1838 году, когда Джон Джонстон использовал эту практику в своей родной Шотландии на своей новой ферме в округе Сенека, штат Нью-Йорк . Джонстон уложил 72 мили (116 км) глиняной плитки на 320 акрах (1,3 км 2 ). Усилия увеличили его урожай пшеницы с 12 бушелей с акра до 60. Джонстон, «отец плиточного дренажа в Америке», [4] продолжал выступать за плиточный дренаж на протяжении всей своей жизни, приписывая свой сельскохозяйственный успех формуле «D, C и D », т. Е. Навоз, кредит и дренаж. [5]
Расширение дренажных систем было важным техническим аспектом расширения на запад в Соединенных Штатах в 19 веке. Хотя земля в Соединенных Штатах была разделена в соответствии с Системой государственного землевладения , установленной Постановлением о земле 1785 года , освоение земель, особенно сельскохозяйственных земель, часто ограничивалось скоростью, с которой они были пригодны для возделывания. Например, хотя Айова была признана штатом Соединенных Штатов в 1846 году, карты, на которых была изображена собственность на землю, указывали на плотность населения ниже средней в северо-западном регионе Айовы еще в 1870-х годах, когда это был угол штата, который до сих пор славится высоким уровнем грунтовых вод и многочисленными озерами и болотами .
Западные государства имели аналогичные ограничения на интенсификацию сельского хозяйства. Многие штаты предложили правительственные стимулы для улучшения земель для ведения сельского хозяйства. Например, законодательство в Индиане подтолкнуло к принятию в 1850 году федерального закона, который предусматривал продажу болот фермерам со скидкой при условии осушения ими земель и улучшения их для повышения продуктивности сельского хозяйства. Чтобы облегчить такое улучшение, в большинстве штатов созданы правительственные агентства, регулирующие установку дренажа из плитки. Даже в настоящее время местные выборы в более сельских штатах часто включают выборы членов наблюдательных советов по дренажу; например, в Мичигане Комиссар по дренажу графства остается всенародно избранным.
Спустя десятилетия после Гражданской войны в США дренажные системы были быстро расширены. Например, в исторической литературе из Огайо [6] записано, что в 1882 году количество осушенных акров было примерно равно площади земель, осушенных во все предыдущие годы. В 1930-х годах Гражданский корпус охраны окружающей среды расширил системы дренажа плиткой по всему Среднему Западу , большая часть которых используется до сих пор.
Достижения в дренажной технологии
Вплоть до окончания Второй мировой войны технология укладки плитки оставалась аналогичной методам, впервые примененным в 1838 году. Хотя цементные секции позже заменили оригинальные глиняные плитки, а машины использовались для рытья траншей для укладки плитки, процесс оставался довольно трудоемким. интенсивный и ограниченный специализированными подрядчиками.
Использование пластиковой плитки позволило снизить как стоимость установки плитки, так и количество трудозатрат. Вместо того, чтобы укладывать отдельные секции цементной плитки встык в траншею, установщикам плитки нужно было только развернуть непрерывную секцию легкой и гибкой линии плитки. К концу двадцатого века, когда большие полноприводные тракторы стали более распространенными на американских фермах, на рынке появились орудия для изготовления плитки, сделанные своими руками. Удешевляя укладку плитки и позволяя ее выполнять в соответствии с графиком землевладельца, фермеры могут осушать локальные влажные участки, которые могут не создавать достаточно проблем, чтобы требовать более дорогостоящих операций. Таким образом, фермеры могут получить повышение урожайности при одновременной экономии капитальных затрат на укладку плитки. Пожалуй, наиболее полезно реализовать в истории дренажной были Джеймс Б. Хилл «s Buckeye Тяговый Ditcher , положившие дренажные плитки рекордных темпов. Машина Хилла осушила Великое Черное болото в Огайо, обширные участки Луизианы и болота Флориды.
Социальные и экологические последствия плиточного дренажа
С экологической точки зрения расширение дренажных систем имело огромные негативные последствия. Сотни тысяч видов водно-болотных угодий испытали значительное сокращение численности населения, поскольку их среда обитания все более фрагментировалась и разрушалась. Хотя рыночная охота в пределах Центрального пролетного пути была фактором, способствовавшим сокращению численности многих видов водоплавающих птиц в первые десятилетия двадцатого века, потеря среды обитания для размножения в результате расширения сельского хозяйства, безусловно, является наиболее значительной. На ранних картах штатов Среднего Запада изображено множество озер и болот, площадь которых сегодня либо отсутствует, либо значительно уменьшена. Канализирование , связанный с этим процесс концентрации и облегчения потока воды из сельскохозяйственных угодий, также способствовало этой деградации. [ необходима цитата ]
Плитчатый дренаж и соответствующие изменения ландшафта - осушение заболоченных земель, влажных почв и создание каналов для ручьев - способствовали возникновению более эрозионных рек. [7] Такая реакция рек из-за дренажа является результатом сокращения времени пребывания воды на ландшафте. Например, раньше осадки удерживались на заболоченных территориях и на / на поверхности почвы, непрерывно испаряясь или использовались за счет транспирации растений. Вода будет медленно стекать через ландшафт и в конечном итоге стекать в реки. Процесс дренажа плиткой, используемый для быстрого и эффективного осушения почвы, приводит к эффективному отводу воды в реку - настолько эффективному, что в реки доставляются большие объемы воды. [ Необходимая цитата ] Эффект от более высоких объемов воды - больше энергии в воде - состояние динамического равновесия, в котором реки существовали на протяжении веков (медленно меняющие форму и непрерывно переносящие ограниченные отложения), было и в настоящее время находится вне баланса. Результатом этой потери равновесия является чрезмерная эрозия берегов, которая приводит к чрезмерно обременительным наносам и критическим воздействиям на природную среду и речные места обитания. [ необходима цитата ]
Дренажная плитка иногда снижает эрозию почвы и сток некоторых питательных веществ, в том числе фосфора. [8] Фосфор является важным питательным веществом, которое необходимо контролировать, поскольку он является ограничивающим питательным веществом в большинстве водных экосистем. Таким образом, фосфор является основным виновником эвтрофикации поверхностных вод; однако другое ограничивающее питательное вещество, азот, наносит значительный ущерб водным ресурсам. Например, азот был причастен к гипоксии залива. Дренажная плитка иногда повышает качество воды, потому что вода течет в землю, а затем в плитку, вместо того, чтобы стекать с поля в канаву, унося с собой почву и питательные вещества. У почвы есть шанс фильтровать воду, прежде чем она попадет в ручьи и реки. Однако за счет обхода улучшений поверхности, таких как консервационная обработка почвы или прибрежные буферы, дренаж из плитки также может создать проблемы с качеством воды [9], а сток из дренажа из плитки имеет тенденцию быть чрезвычайно высоким по азоту. Кроме того, некоторые дренажные трубы для плитки иногда содержат очень высокие уровни других химикатов. Поскольку поверхностные формы ресурсосберегающего земледелия менее эффективны в системах с дренированием плиткой, другие методы, такие как контролируемый дренаж или построенные водно-болотные угодья, могут быть более эффективными. [9] На очень плоских участках, где естественный рельеф не обеспечивает градиент, необходимый для потока воды, можно выкопать «сельскохозяйственные колодцы», чтобы обеспечить достаточный выход линий плитки. В этих случаях именно грунтовые воды могут быть загрязнены выходом нефильтрованной плитки.
Интенсивные операции по животноводству (МОТ) / операции по концентрированному кормлению животных (CAFO) привели к возникновению проблем с удалением стоков животноводства. Сточные воды животноводства содержат ценные питательные вещества, но неправильное использование этих материалов может привести к серьезным экологическим проблемам, таким как содержание питательных веществ. Закачивание сточных вод непосредственно в землю - это один из методов, используемых навозоотводчиками для улучшения усвоения питательных веществ. Дренажные плитки могут увеличить просачивание внесенного навоза в поверхностные водные пути в результате внесения навоза, поскольку жидкий навоз просачивается через почву, а затем стекает с поля в водные пути через дренажные плитки. [ необходима цитата ]
Сегодня ряд государственных и федеральных инициатив призван обратить вспять утрату среды обитания. Многие программы поощряют и даже возмещают фермерам за прерывание дренажа локализованных заболоченных ям на их территории, часто путем взлома водозаборов или полного удаления плитки. Землевладельцы часто получают частичную или полную компенсацию за утрату возможности выращивать урожай на этой земле. Такие программы и сотрудничество землевладельцев по всей стране оказали значительное положительное влияние на популяции самых разных водоплавающих птиц. [ необходима цитата ]
Смотрите также
- Дренаж
- Уравнение дренажа
- Дренажная система (сельское хозяйство)
- Водный стол контроль
- Контроль солености с помощью подземного дренажа
- Уравнение расстояния между стоками с использованием энергетического баланса потока подземных вод
- Исследование дренажа
Рекомендации
- ^ Агентство по охране окружающей среды США Сельское хозяйство 101 - Дренаж
- ^ Роудс, Ричард (1989). Ферма: год из жизни американского фермера . Нью-Йорк: Саймон и Шустер. ISBN 0-671-63647-2.
- ^ Джонсон Фарм
- ^ Джонс, ER Заметки по дренажу: классные комнаты, полевые и лабораторные упражнения для студентов, изучающих дренаж земель . Мэдисон, Висконсин: Демократ, 1908. Страница 95.
- ^ Эй, Дональд Л. и Нэнси С. Филиппы. Аргументы в пользу восстановления водно-болотных угодий . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Wiley, 1999. Страница 31.
- ^ [1]
- ^ «Шоттлер и др. Гидрологические процессы: сельскохозяйственный дренаж двадцатого века создает более эрозионные реки» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 14 июля 2014 года . Проверено 9 января 2014 .
- ^ «Серия публикаций« Сельскохозяйственный дренаж: вопросы и ответы » . Архивировано из оригинала на 2013-01-05 . Проверено 9 января 2014 .
- ^ а б Лемке и др. Оценка передовых методов управления сельским хозяйством в дренированных плиткой водоразделах реки Макино, штат Иллинойс