Плиточный дренаж — это форма сельскохозяйственной дренажной системы , которая удаляет избыток подземной воды с полей, чтобы обеспечить достаточное воздушное пространство в почве, надлежащую обработку и доступ тяжелой техники для ухода за культурами и сбора урожая. В то время как поверхностные воды можно откачивать с помощью насосов, открытых канав или и того, и другого, плиточный дренаж часто является наиболее эффективным средством отвода подземных вод.
Фраза «плиточный дренаж» происходит от его первоначального состава из керамической плитки из обожженной глины , которая была похожа на терракотовые трубы, но не всегда имела форму труб. В 19 веке С-образная канальная плитка обычно размещалась как арка поверх плоской плитки, называемой «кружкой» и «подошвой» соответственно. Сегодня плиточный дренаж — это любая вариация этой оригинальной системы, которая функционирует в том же режиме. Обычно используются трубы из HDPE и ПВХ, называемые «плиточной линией», хотя сборный бетон и керамическая плитка все еще используются.
На рисунке показаны наиболее используемые методы орошения, а также наименее используемые варианты очистки и повторного использования дренажной воды. Сбор богатой питательными веществами воды для орошения в резервуарах и ее перекачка обратно на поля в периоды засухи является доступной практикой и 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] Для того, чтобы сделать дренажную воду пригодной для повторного использования, требуются передовые методы очистки, такие как обратный осмос. [3]
Фермеры используют два типа дренажных систем: [4]
Подземный дренаж широко используется фермерами. Он имеет много преимуществ: [5]
Для контроля дренажа обычно используются два метода: [5]
Переработка сельскохозяйственных дренажных вод является эффективным нетрадиционным методом преодоления дефицита воды в засушливых районах. В Соединенных Штатах, хотя Федеральный закон о контроле за загрязнением воды узаконивает качество воды и загрязнение на национальном уровне, законы и правила повторного использования воды являются обязанностью штатов и местных органов власти. Регенерированная вода в сельском хозяйстве является быстро растущей 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. [6]
Орошаемое земледелие зависит от достаточного количества и приемлемого качества. [7]
Количество растворенной соли в воде является первостепенным фактором, определяющим ее пригодность для орошения. По мере накопления соли в почве она удерживает воду и делает ее недоступной для сельскохозяйственных культур, что приводит к водному стрессу для растений. [7] Согласно рекомендациям Комитета консультантов Калифорнийского университета по качеству воды: [7]
Корням большинства сельскохозяйственных культур требуется достаточно воздуха для процветания. Избыток подземной воды заполняет поры почвы и подавляет их рост, лишая корни воздуха, что приводит к корневой гнили и гибели растения.
Еще одной причиной подповерхностного дренажа является обеспечение достаточной твердости почвы для обработки почвы и другого доступа тяжелой техники для ухода за культурой и сбора урожая.
Большинству культур требуются особые условия влажности почвы, и они плохо растут на влажной, грязной почве. Даже в почве, которая не является грязной, корни большинства растений не проникают намного глубже уровня грунтовых вод. В начале вегетационного периода, когда воды достаточно, растения маленькие и не требуют так много воды. В это время растениям не нужно развивать корни, чтобы добраться до воды. По мере того, как растения растут и используют больше воды, воды становится меньше. В это время уровень грунтовых вод начинает падать. Затем растениям нужно развивать корни, чтобы добраться до воды. В периоды засухи уровень грунтовых вод может падать быстрее, чем скорость, с которой растения отращивают корни, чтобы добраться до него, что может серьезно напрягать растения.
Установка дренажной плитки эффективно снижает уровень грунтовых вод, и растения могут правильно развивать свои корни. Отсутствие водонасыщения почвы позволяет кислороду оставаться в порах почвы для использования корнями. Дренажная плитка не позволяет корням находиться под уровнем грунтовых вод во время влажных периодов, что может вызывать стресс у растений. Удаляя избыток воды, культуры более эффективно используют воду, к которой имеют доступ их корни. Увеличение урожайности можно обобщить как принуждение растений развивать больше корней, чтобы они могли поглощать больше питательных веществ и воды.
Тот же принцип действует в горшках с комнатными растениями: их дренажные отверстия в днищах откачивают избыток воды из среды, так что воздух может заполнить поры среды и быть доступным для корней, которые, если лишены воздуха из-за насыщения среды водой в течение достаточного времени, сгниют и умрут. Установка дренажной плитки на поле в виде сетки достигает того же эффекта для поля в несколько сотен акров. [8]
В системе дренажа плитки, своего рода «водопровод» устанавливается под поверхностью сельскохозяйственных полей, фактически состоя из сети подземных труб, которые позволяют подземным водам перемещаться из-под частиц почвы в линию плитки. Вода, протекающая через линии плитки, часто в конечном итоге осаждается в поверхностных водных точках — озерах, ручьях и реках — расположенных 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. [9] Установка плитки или линии плитки может включать траншеекопатель ( Ditch Witch ), плуг для кротов , экскаватор или другое тяжелое оборудование .
Тип почвы сильно влияет на эффективность систем плитки и определяет степень, в которой область должна быть покрыта плиткой, чтобы обеспечить достаточный дренаж. Более песчаные почвы будут нуждаться в небольшом, если вообще будут, дополнительном дренаже, тогда как почвы с высоким содержанием глины будут удерживать воду крепче, требуя, чтобы линии плитки располагались ближе друг к другу.
Корни деревьев изгородей и ветрозащитных полос естественным образом привлекаются благоприятными условиями полива, которые обеспечивают плитки или линии плиток соседних полей. Гидротропизм играет свою роль, поскольку корневые волоски на динамически зондирующих кончиках корней деревьев по-разному реагируют на более влажные трещины по сравнению с более сухими, обмениваясь гормональными сообщениями с остальной частью дерева, которые побуждают их сосредоточиться на продвижении в такие благоприятные ниши. В перфорациях дренажных линий плитки, как и в потрескавшихся или ржавых водопроводных и канализационных линиях под городскими улицами, эти корни находят идеальное сочетание входа для входа и обильного запаса воды за ним. Результатом является то, что в любой из этих систем труб иногда возникают засоры, и их необходимо прочищать с помощью змеевидного плетения , змеевидного плетения с вращающимся резаком , выборочного копания и вытягивания и подобных методов. В некоторых регионах фермеры должны постоянно проводить техническое обслуживание дренажных линий плитки, чтобы они оставались открытыми и правильно работали, по крайней мере, с некоторой очисткой каждый год в той или иной части системы. [10] : 304–305
Древнеримские авторы Катон Старший и Плиний Старший описывали системы дренажа плиткой в 200 г. до н. э. и первом веке н. э. соответственно. Согласно ферме Джонстона, [11] дренаж плиткой был впервые представлен в Соединенных Штатах в 1838 году, когда Джон Джонстон использовал практику из своей родной Шотландии на своей новой ферме в округе Сенека, штат Нью-Йорк . Джонстон уложил 72 мили (116 км) глиняной черепицы на 320 акрах (1,3 км 2 ). Благодаря этим усилиям урожайность пшеницы увеличилась с 12 бушелей с акра до 60. Джонстон, «отец дренажа плиткой в Америке», [12] продолжал выступать за дренаж плиткой на протяжении всей своей жизни, приписывая свой сельскохозяйственный успех формуле «D, C и D», т. е. навоз, кредит и дренаж. [13]
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 обследования государственных земель , установленной Указом о земле 1785 года , развитие, особенно сельскохозяйственных земель, часто ограничивалось скоростью, с которой они становились пригодными для обработки. Например, хотя Айова была принята в качестве штата Соединенных Штатов в 1846 году, карты, на которых было изображено владение землей, указывали на плотность населения ниже средней в северо-западном регионе Айовы еще в 1870-х годах, поскольку этот уголок штата по-прежнему известен своим высоким уровнем грунтовых вод и многочисленными озерами и водно-болотными угодьями .
Западные штаты имели схожие ограничения для интенсификации сельского хозяйства. Многие штаты предлагали государственные стимулы для улучшения земель для сельского хозяйства. Например, законодательство в Индиане побудило в 1850 году принять федеральный закон, который предусматривал продажу болот со скидкой фермерам в зависимости от их осушения земли и улучшения ее для сельскохозяйственной производительности. Чтобы способствовать такому улучшению, большинство штатов учредили государственные агентства для регулирования установки плиточного дренажа. Даже в настоящее время местные выборы в более сельских штатах часто включают выборы членов наблюдательных советов по дренажу; например, в Мичигане окружной комиссар по дренажу остается всенародно избранным.
В течение десятилетий после Гражданской войны в США дренажные системы быстро расширялись. Например, в исторической литературе из Огайо [14] записано, что в 1882 году количество осушенных акров было примерно равно площади земель, осушенных за все предыдущие годы. В 1930-х годах Корпус гражданской охраны природы расширил плиточные дренажные системы по всему Среднему Западу , многие из которых используются до сих пор.
До окончания Второй мировой войны технология укладки плитки оставалась схожей с методами, впервые примененными в 1838 году. Хотя цементные секции позже заменили оригинальные глиняные плитки, а для рытья траншей под линии укладки плитки использовались машины, процесс оставался довольно трудоемким и ограничивался специализированными подрядчиками.
Первым успешным механическим траншеекопателем для дренажной плитки был Buckeye Steam Traction Ditcher Джеймса Б. Хилла , изобретенный в конце 1880-х годов. Канавокопающие машины Хилла осушили Большое Черное Болото в Огайо. [15] По состоянию на 1995 год некоторые из его машин все еще использовались в Новом Орлеане, Луизиана; Онтарио, Канада; и в некоторых частях Африки. [16]
Введение пластиковой плитки позволило снизить как стоимость установки плитки, так и объемы труда. Вместо того, чтобы укладывать отдельные секции цементной плитки встык в траншею, укладчикам плитки нужно было только развернуть непрерывную секцию легкой гибкой линии плитки. К концу двадцатого века, когда большие полноприводные тракторы стали более распространенными на американских фермах, на рынке появились самодельные орудия для плитки. Сделав установку плитки более дешевой и позволив ее выполнять по графику землевладельца, фермеры получили возможность осушать локальные влажные пятна, которые могут не создавать достаточно проблем, чтобы заслуживать более дорогостоящих операций. Таким образом, фермеры могут получать прибыль от повышения урожайности, экономя при этом на капитальных затратах на установку плитки.
С точки зрения экологии расширение дренажных систем имело колоссальные негативные последствия. Сотни тысяч видов водно-болотных угодий испытали значительное сокращение популяции, поскольку их среда обитания все больше фрагментировалась и переводилась на другие цели. Хотя рыночная охота в пределах Центрального пролетного пути была фактором, способствующим сокращению численности многих видов водоплавающих птиц в первые десятилетия двадцатого века, потеря среды размножения из-за расширения сельского хозяйства, безусловно, является наиболее значимой. Ранние карты штатов Среднего Запада изображают множество озер и болот, которые сегодня отсутствуют или значительно сокращены по площади. Канализация , связанный процесс концентрации и облегчения потока воды из сельскохозяйственных районов, также способствовала этой деградации. [ необходима ссылка ]
Плиточный дренаж и соответствующие изменения ландшафта — осушение водно-болотных угодий, влажных почв и создание каналов для ручьев — способствовали появлению более эрозионных рек. [17] Такая реакция рек на дренаж является результатом сокращения времени пребывания воды на ландшафте. Например, осадки раньше удерживались на водно-болотных угодьях и на поверхности почв, непрерывно испаряясь или используясь через транспирацию растений. Вода медленно стекала через ландшафт и в конечном итоге попадала в реки. Процесс плиточного дренажа, используемый для быстрого и эффективного осушения почв, приводит к эффективной передаче воды в реку — настолько эффективной, что в реки поступают большие объемы воды. [ необходима цитата ] Эффект больших объемов воды заключается в большей энергии в воде — динамическое равновесное состояние, в котором реки существовали на протяжении веков (медленно меняя форму и непрерывно перенося ограниченный осадок), было и в настоящее время является несбалансированным. Эта потеря равновесия приводит к чрезвычайной эрозии берегов, что приводит к чрезмерной нагрузке наносами и критическим воздействиям на природную среду и речные местообитания. [ необходима ссылка ]
Дренажная плитка иногда уменьшает эрозию почвы и сток некоторых питательных веществ, включая фосфор. [18] Фосфор является важным питательным веществом для контроля, поскольку он является ограничивающим питательным веществом в большинстве водных экосистем. Таким образом, фосфор является основным виновником эвтрофикации поверхностных вод; однако, другой ограничивающий питательный элемент, азот, наносит существенный ущерб качеству воды. Например, азот был замешан в гипоксии залива. Дренажная плитка иногда повышает качество воды, поскольку вода течет в землю, а затем в плитку, вместо того, чтобы стекать с поля в канаву, унося с собой почву и питательные вещества. Почва может фильтровать воду, прежде чем она попадет в ручьи и реки. Однако, обходя поверхностные улучшения, такие как противоэрозионная обработка почвы или прибрежные буферы, дренажная плитка также может создавать проблемы с качеством воды [19] , а отток из дренажной плитки, как правило, чрезвычайно богат азотом. Кроме того, дренажная плитка иногда содержит очень высокие уровни других химикатов. Поскольку поверхностные формы природоохранного земледелия менее эффективны в системах с дренажем плитки, другие методы, такие как контролируемый дренаж или искусственные водно-болотные угодья, могут быть более эффективными. [19] На очень плоских участках, где естественный рельеф не обеспечивает градиента, необходимого для потока воды, можно вырыть «сельскохозяйственные колодцы», чтобы обеспечить линии плитки достаточным стоком. Однако дренажные колодцы могут поставить под угрозу качество грунтовых вод.
Интенсивное животноводство (ILO)/ концентрированное кормление животных (CAFO) привело к проблемам в утилизации отходов животноводства. Отходы животноводства содержат ценные питательные вещества, но неправильное использование этих материалов может привести к серьезным экологическим проблемам, таким как загрузка питательными веществами. Впрыскивание отходов непосредственно в землю является одним из методов, используемых аппликаторами навоза для улучшения усвоения питательных веществ. Дренажные плитки могут увеличить просачивание впрыскиваемого навоза в поверхностные водные пути из-за впрыскивания навоза, поскольку жидкий навоз просачивается через почву и стекает с поля в водные пути через дренажные плитки. [ необходима цитата ]
Сегодня несколько государственных и федеральных инициатив направлены на то, чтобы обратить вспять утрату среды обитания. Многие программы поощряют и даже возмещают фермерам расходы на прерывание дренажа локализованных влажных пятен на их территории, часто путем разрушения плиточных входов или удаления плиточных стоков. Землевладельцы часто получают частичную или полную компенсацию за утрату возможности выращивать урожай на этой земле. Такие программы и сотрудничество землевладельцев по всей стране оказывают значительное положительное влияние на популяции различных водоплавающих птиц. [ необходима цитата ]