Плиточный дренаж — это форма сельскохозяйственной дренажной системы , которая удаляет излишки подповерхностных вод с полей, обеспечивая достаточное воздушное пространство внутри почвы, правильную обработку почвы и доступ тяжелой техники для ухода и сбора урожая. Хотя поверхностные воды можно отводить с помощью насосов, открытых канав или того и другого, дренаж плитки часто является наиболее эффективным средством отвода подземных вод.
Фраза «плитка дренажная» происходит от ее первоначального состава из керамических плиток из обожженной глины , которые были похожи на терракотовые трубы, но не всегда имели форму труб. В 19 веке канальная плитка С-образной формы обычно размещалась в виде арки на плоской плитке и называлась «кружка» и «подошва» соответственно. Сегодня плиточный дренаж – это любая вариация этой оригинальной системы, функционирующая в том же режиме. Обычно используются трубы из ПЭВП и ПВХ , называемые «плиточными линиями», хотя сборный железобетон и керамическая плитка все еще используются.
На рисунке показаны наиболее используемые методы орошения, а также наименее используемые варианты очистки и повторного использования дренажных вод. Сбор богатой питательными веществами оросительной воды в резервуарах и перекачка ее обратно на поля в периоды засухи является доступной практикой, которая приобретает все большую популярность среди фермеров в таких штатах, как Айова, Индиана, Огайо, Иллинойс и Миннесота. [1] В западных штатах США соленость воды обычно выше, и прямая переработка не является жизнеспособным вариантом. [2] Чтобы сделать дренаж пригодным для повторного использования, необходимы передовые методы очистки, такие как обратный осмос. [3]
Фермеры используют два типа дренажных систем: [4]
Подпочвенный дренаж широко используется фермерами. У этого есть много преимуществ: [5]
Для контроля дренажа обычно используются два метода: [6]
Переработка дренажных вод сельскохозяйственного назначения является эффективным нетрадиционным методом преодоления нехватки воды в засушливых районах. В Соединенных Штатах, хотя Федеральный закон о контроле за загрязнением воды регулирует качество воды и загрязнение на национальном уровне, законы и правила повторного использования воды находятся в ведении штатов и местных органов власти. Использование очищенной воды в сельском хозяйстве становится все более распространенной практикой, особенно в засушливых штатах, таких как Техас, Невада, Аризона и Калифорния. Эти штаты приняли следующие законы для обеспечения соблюдения стандартов повторного использования воды в сельском хозяйстве. [7]
Орошаемое земледелие зависит от достаточного количества и приемлемого качества. [8]
Количество растворенной соли в воде является основным фактором, определяющим ее пригодность для орошения. По мере того, как соль накапливается в почве, она удерживает воду и делает ее недоступной для сельскохозяйственных культур, что приводит к водному дефициту растений. [9] Согласно Руководству по качеству воды Консультативного комитета Калифорнийского университета: [10]
Корням большинства сельскохозяйственных растений для нормального развития требуется достаточное количество воздуха. Избыточная подземная вода заполняет поры почвы и подавляет их рост, лишая корни воздуха, что приводит к корневой гнили и гибели растений.
Дополнительной причиной подземного дренажа является обеспечение достаточной твердости почвы для обработки почвы и другого доступа тяжелой техники для ухода и сбора урожая.
Большинству культур требуются определенные условия влажности почвы, и они плохо растут на влажной, перегнойной почве. Даже в незагрязненной почве корни большинства растений не растут намного глубже уровня грунтовых вод. В начале вегетационного периода, когда воды достаточно, растения маленькие и не требуют много воды. За это время растениям не нужно развивать корни, чтобы добраться до воды. По мере того, как растения растут и потребляют больше воды, воды становится все меньше. В это время уровень грунтовых вод начинает падать. Затем растениям необходимо развить корни, чтобы добраться до воды. В периоды засухи уровень грунтовых вод может падать быстрее, чем скорость, с которой растения отрастают корни, чтобы достичь его, и это состояние может вызвать серьезный стресс у растений.
Установка дренажной плитки позволяет эффективно снизить уровень грунтовых вод и растения могут правильно развивать свои корни. Недостаточная водонасыщенность почвы позволяет кислороду оставаться в порах почвы для использования корнями. Дренажная плитка предотвращает попадание корней под уровень грунтовых вод во время влажных периодов, что может вызвать стресс у растений. Удаляя избыток воды, культуры более эффективно используют воду, к которой имеют доступ их корни. Увеличение урожайности можно резюмировать как принуждение растений к развитию большего количества корней, чтобы они могли поглощать больше питательных веществ и воды.
Тот же принцип действует и в горшках с комнатными растениями: их дренажные отверстия в днище отводят лишнюю воду из среды, так что воздух может заполнить поры среды и стать доступными для корней, которые, если они лишены воздуха из-за насыщения почвы среда с водой в течение достаточного времени, загниет и погибнет. Установка дренажной плитки на поле в виде сетки позволяет добиться того же эффекта на поле площадью несколько сотен акров. [11]
В плиточной дренажной системе под поверхностью сельскохозяйственных полей устанавливается своего рода «водопровод», фактически состоящий из сети подземных труб, которые позволяют подземным водам выходить из-под частиц почвы в линию плитки. Вода, текущая 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 старых конструкций плитки, либо через небольшие перфорации в современной пластиковой плитке. [12] Для укладки плитки или линии плитки может потребоваться траншеекопатель ( Ditch Witch ), кротовий плуг , экскаватор или другое тяжелое оборудование .
Тип почвы сильно влияет на эффективность плиточных систем и определяет степень покрытия территории плиткой, чтобы обеспечить достаточный дренаж. Более песчаным почвам не потребуется дополнительный дренаж, если он вообще потребуется, тогда как почвы с высоким содержанием глины будут удерживать воду плотнее, поэтому линии плитки придется располагать ближе друг к другу.
Корни деревьев живых изгородей и ветрозащитных полос естественным образом привлекают благоприятные условия полива, которые обеспечивают плитки или линии плитки соседних полей. Гидротропизм играет роль, поскольку корневые волоски на динамически исследующих кончиках корней деревьев по-разному реагируют на более влажные и сухие расщелины, обмениваясь гормональными сообщениями с остальной частью дерева, которые побуждают их сконцентрироваться на продвижении в такие благоприятные ниши. В перфорациях дренажных линий, выложенных плиткой, а также в потрескавшихся или ржавых водопроводах и канализационных трубах под городскими улицами эти корни находят идеальное сочетание входа для входа и обильного запаса воды за ним. В результате в любой из этих трубных систем иногда возникают засоры, и их приходится очищать с помощью змеевика , роторно-резательного змеевика , выбора копания и протаскивания и подобных методов. В некоторых регионах фермеры должны постоянно обслуживать дренажные линии, чтобы они оставались открытыми и правильно работали, по крайней мере, ежегодно очищая ту или иную часть системы. [13] : 304–305.
Древнеримские авторы Катон Старший и Плиний Старший описали черепичные дренажные системы в 200 г. до н. э. и первом веке нашей эры соответственно. По данным фермы Джонстон, [14] дренаж из плитки был впервые представлен в Соединенных Штатах в 1838 году, когда Джон Джонстон применил практику из своей родной Шотландии на своей новой ферме в округе Сенека, штат Нью-Йорк . Джонстон уложил 72 мили (116 км) глиняной черепицы на площади 320 акров (1,3 км 2 ). Эти усилия увеличили его урожайность пшеницы с 12 бушелей на акр до 60. Джонстон, «отец плиточного дренажа в Америке», [15] продолжал выступать за черепичный дренаж на протяжении всей своей жизни, приписывая свой успех в сельском хозяйстве формуле «D, C и D», т. е. навоз, кредит и дренаж. [16]
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 землеустройства , учрежденной Постановлением о земле 1785 года , освоение, особенно сельскохозяйственных земель, часто ограничивалось скоростью, с которой они были пригодны для обработки. 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, поскольку этот край по-прежнему оставался частью штата. известен своим высоким уровнем грунтовых вод и многочисленными озерами и водно-болотными угодьями .
Западные государства имели аналогичные ограничения на интенсификацию сельского хозяйства. Многие штаты предложили правительственные стимулы для улучшения земель для сельского хозяйства. Например, законодательство Индианы привело к принятию в 1850 году федерального закона, который предусматривал продажу болот со скидкой фермерам при условии, что они осушат землю и улучшат ее для повышения производительности сельского хозяйства. Чтобы способствовать такому улучшению, большинство штатов учредили правительственные учреждения, регулирующие установку плиточного дренажа. Даже в настоящее время местные выборы в более сельских штатах часто включают выборы членов наблюдательных советов по дренажу; например, в Мичигане комиссар округа по дренажным системам по-прежнему избирается всенародно.
В течение десятилетий после Гражданской войны в США дренажные системы быстро расширялись. Например, в исторической литературе штата Огайо [17] зафиксировано, что в 1882 г. количество осушенных акров было примерно равно площади осушенных за все предыдущие годы земель. В 1930-х годах Гражданский корпус охраны природы расширил дренажные системы по всему Среднему Западу , большая часть которых используется до сих пор.
Вплоть до окончания Второй мировой войны технология укладки плитки оставалась аналогичной методам, впервые использованным в 1838 году. Хотя позднее цементные секции заменили первоначальную глиняную плитку, а для рытья траншей для линий плитки использовались машины, процесс оставался довольно трудоемким. интенсивны и ограничены специализированными подрядчиками.
Внедрение пластиковой плитки позволило снизить как стоимость укладки плитки, так и количество трудозатрат. Вместо того, чтобы укладывать отдельные секции цементной плитки встык в траншею, монтажникам плитки нужно было всего лишь развернуть непрерывную секцию легкой и гибкой линии плитки. К концу ХХ века, когда на американских фермах стали все более распространены большие полноприводные тракторы, на рынке появились орудия для изготовления плитки своими руками. Удешевляя укладку плитки и позволяя выполнять ее по графику землевладельца, фермеры получают возможность осушить локальные влажные пятна, которые могут не создавать достаточных проблем, чтобы требовать более дорогостоящих операций. Таким образом, фермеры могут увеличить урожайность, сэкономив при этом на капитальных затратах на укладку плитки. Возможно, самым полезным орудием в истории дренажа была машина Buckeye Traction Ditcher Джеймса Б. Хилла , которая укладывала дренажную плитку с рекордной скоростью. Канавоукладчик Хилла осушил Большое Черное Болото в Огайо, обширные территории Луизианы и болота Флориды.
С экологической точки зрения расширение дренажных систем имело огромные негативные последствия. Сотни тысяч видов водно-болотных угодий испытали значительное сокращение численности популяций, поскольку их среда обитания все больше фрагментировалась и использовалась для других целей. Хотя рыночная охота на Центральном пролетном пути была одним из факторов, способствовавших сокращению численности многих видов водоплавающих птиц в первые десятилетия двадцатого века, потеря мест размножения в результате расширения сельского хозяйства , безусловно, является наиболее значительным фактором. На ранних картах штатов Среднего Запада изображено множество озер и болот, площадь которых сегодня либо отсутствует, либо значительно уменьшилась. Создание каналов , родственный процесс концентрации и облегчения потока воды из сельскохозяйственных территорий, также способствовало этой деградации. [ нужна цитата ]
Плиточный дренаж и соответствующие изменения ландшафта – осушение водно-болотных угодий, влажных почв и направление ручьев – способствовали усилению эрозии рек. [18] Такая реакция рек на дренаж является результатом сокращения времени пребывания воды в ландшафте. Например, раньше осадки задерживались на водно-болотных угодьях и в/на поверхности почв, постоянно испарялись или использовались посредством транспирации растений. Вода будет медленно стекать по ландшафту и в конечном итоге стечь в реки. Процесс дренажа, используемый для быстрой и эффективной сушки почвы, приводит к эффективной передаче воды в реку – настолько эффективной, что в реки доставляются большие объемы воды. [ нужна цитата ] Эффект от больших объемов воды заключается в увеличении количества энергии в воде - состояние динамического равновесия, в котором реки существовали на протяжении веков (медленно изменяя форму и постоянно перенося ограниченное количество наносов), было и в настоящее время находится вне баланса. Результатом этой потери равновесия является чрезмерная береговая эрозия, которая приводит к чрезмерной нагрузке наносов и критическим воздействиям на природную среду и речную среду обитания. [ нужна цитата ]
Дренажная плитка иногда уменьшает эрозию почвы и сток некоторых питательных веществ, в том числе фосфора. [19] Фосфор является важным питательным веществом, требующим контроля, поскольку он является лимитирующим питательным веществом в большинстве водных экосистем. Таким образом, фосфор является основным виновником эвтрофикации поверхностных вод; однако другое лимитирующее питательное вещество, азот, наносит существенный ущерб воде. Например, азот участвует в гипоксии залива. Дренажная плитка иногда повышает качество воды, поскольку вода стекает в землю, а затем в плитку, а не стекает с поля в канаву, унося с собой почву и питательные вещества. Почва имеет возможность фильтровать воду, прежде чем она попадет в ручьи и реки. Однако, игнорируя улучшения поверхности, такие как защитная обработка почвы или прибрежные буферы, плиточный дренаж может также создать проблемы с качеством воды [20] , а сток из плиточного дренажа, как правило, имеет чрезвычайно высокий уровень содержания азота. Кроме того, некоторые виды дренажа из плитки иногда содержат очень высокие уровни других химикатов. Поскольку поверхностные формы ресурсосберегающего земледелия менее эффективны в осушенных системах, другие методы, такие как контролируемый дренаж или искусственные водно-болотные угодья, могут быть более эффективными. [20] На очень плоских участках, где естественный рельеф не обеспечивает градиент, необходимый для стока воды, можно вырыть «сельскохозяйственные колодцы», чтобы обеспечить достаточный отвод линий плитки. В этих случаях именно грунтовые воды подвергаются загрязнению нефильтрованной продукцией плитки.
Интенсивное животноводческое хозяйство (МОТ)/ концентрированное кормление животных (CAFO) привело к проблемам с утилизацией отходов животноводства. Сточные воды животноводства содержат ценные питательные вещества, но неправильное использование этих материалов может привести к серьезным экологическим проблемам, таким как перегрузка питательными веществами. Впрыскивание сточных вод непосредственно в землю — это один из методов, используемых аппликаторами для улучшения поглощения питательных веществ. Дренажные плитки могут увеличить просачивание навоза в поверхностные водные пути в результате впрыскивания навоза, поскольку жидкий навоз просачивается через почву, а затем стекает с поля в водные пути через дренажные плитки. [ нужна цитата ]
Сегодня ряд государственных и федеральных инициатив направлены на то, чтобы обратить вспять процесс утраты среды обитания. Многие программы поощряют и даже возмещают фермерам за прекращение осушения локальных луж на их территории, часто путем разрушения водозаборных отверстий или полного удаления плитки. Землевладельцам часто частично или полностью компенсируют утрату возможности выращивать урожай на этой земле. Такие программы и сотрудничество землевладельцев по всей стране оказали значительное положительное влияние на популяцию самых разных водоплавающих птиц. [ нужна цитата ]