Введение

На протяжении многих миллионов лет происходила и происходит эволюционная самоорганизация планеты Земля и её ландшафтной сферы как сложной открытой нелинейной целостной суперсистемы с участием и взаимодействием атмо-, гидро-, лито- и биосфер. Участие живой материи коренным образом изменило и преобразовало облик, состояние и функционирование косных систем на поверхности Земли. Произошло формирование зонально-географических зон и биоэколандшафтных систем в соответствии с глобальным распределением света, тепла и влаги. Естественные природно-зональные биогеоценозы и биогеоландшафты формировались, совершенствовались и выживали (самосохранялись) в изменяющихся условиях среды как адаптивные  и наиболее приспособленные системы, эталонные для данных условий.

Аграрная деятельность человека существенным образом и в больших масштабах  вмешалась в жизнь и состояние природных экосистем, почв, биогеоландшафтов. Распашка земель, введение однолетних сельхозкультур, оголённость почв от растительности и другие действия привели к нарушению водного баланса и защищённости почв от разрушающего действия дождевых атмосферных осадков и сильного поверхностного стока. Это привело к развитию разрушительной антропогенной (агротехногенной) эрозии почв, прогрессирующей потери ею плодородия, выводу из пользования разрушенных земель. Кроме того, нарушение сложившегося водного баланса в аридных степных и лесостепных регионах привело к большим непродуктивным потерям имеющихся ограниченных ресурсов влаги на поверхностный сток, ветро-метельный перенос и сублимацию снега, чрезмерное непродуктивное физическое испарение, что отрицательно влияет на биопродуктивность и урожай сельхозкультур, обрекает на неустойчивость агарное природопользование в степном засушливом поясе.

Всё это ставит проблему улучшения управления гидрологическим режимом в  агроценозах и агроландшафтах, увеличения приходных статей водного баланса (атмосферных осадков, инфильтрации, почвенной влаги) и их эффективной противоэрозионной безопасности в число самых главных, стратегических проблем перспективного экологического аграрного природопользования.

 

Цель исследования

Дать оценку антропогенного воздействия на гидрологический режим агроландшафтов, осуществить анализ влияния защитных лесных насаждений на формирование поверхностного стока талых вод, элементы водного баланса и эрозионно-гидрологические процессы и разработать стратегию, научные основы и систему мероприятий управления ими.

 

Материал и методы исследований

Во Всероссийском научно-исследовательском агролесомелиоративном институте (ВНИАЛМИ) и других научных учреждениях [1] за 68 лет (1948—2016 гг.) получен очень большой экспериментальный материал по оценке современного стока талых вод с девственных и подверженных в разной степени антропогенному воздействию территорий на Европейской части РФ. Анализ этих материалов позволяет сделать важные теоретические и практические выводы. Теоретические исследования базировались на обобщении многолетних (58 лет) материалов исследований ВНИАЛМИ и данных различных научно-исследовательских учреждений по оценке влияния природных и антропогенных факторов на формирование стока. Анализировались данные, полученные при применении самых совершенных, апробированных многими учеными и получивших широкое распространение воднобалансовых методов: стоковых площадок и репрезентативных водосборов. При анализе использовались статистический и генетический подходы. Они широко применяются как у нас в стране, так и за рубежом. Метод стоковых площадок позволяет выявить закономерности формирования стока дифференцированно на различных почвах (тяжелые, средние, легкие, солонцеватые и др.), видах угодий (пашня, луг, залежь) и пашни (зябь, озимые, многолетние травы, яровые культуры и др.).

 

Результаты исследования и их обсуждение

Эрозия почв происходит под воздействием неурегулированного стока воды в результате нерациональной антропогенной деятельности. Проблемой аграрного природопользования, является предотвращение разрушительного действия антропогенной эрозии почв, приводящей к потере почвенного плодородия и даже к полному разрушению сельскохозяйственных земель. Это связано со многими объективными и субъективными причинами, но, прежде всего, с недостаточно полной разработанностью теории эрозиоведения как методологии, разработки и широкого использования её в основных принципах организации экологического эрозионно-безопасного аграрного природопользования. Теория эрозиоведения неразрывно связана с гидрологией суши, c составляющими элементами весеннего водного баланса различных угодий и ландшафтов и приёмами рационального управления ими на склоновых катенах и водосборных бассейнах, из которых формируется эрозионный рельеф равнинной суши. Степенью его упорядоченности и зарегулированности определяется биоразнообразие естественных и искусственных биогеоценозов (агроценозов, агроэколандшафтов), их жизненная устойчивость, биопродуктивность, эрозионная безопасность, степень его благополучного развития и противоэрозионного самосохранения. Без глубокой и всесторонней изученности поверхностного стока и других элементов водного баланса нельзя перейти на расчётные и сбалансированные методы противоэрозионной защиты почв, земель и ландшафтов от разрушительной эрозии. Наиболее мощным средством воздействия на гидрологический режим агроландшафтов являются защитные лесные насаждения.

В. В. Докучаев в своей работе "Наши степи прежде и теперь" отмечал: "... если желают поставить русское сельское хозяйство на твердые ноги, ... чтобы оно было приноровлено к местным физико-географическим (равно как историческим и экономическим) условиям страны, ... необходимо, чтобы эти условия, – все естественные факторы (почва, климат с водой и организмы) были исследованы, ... всесторонне и непременно во взаимной их связи" [12, с. 98—99]. Это замечательное выражение В. В. Докучаева по сути является квинтэссенцией того, что в настоящее время называется системным подходом в исследовании конкретного объекта и идеологией выработки адаптированных к местным условиям систем ведения сельского хозяйства и в целом природопользования. Теперь это называется адаптивно-ландшафтная система земледелия, ведущую роль в которой играет агролесомелиоративное адаптивно-ландшафтное обустройство территории.

Блестящий анализ причин постигшего Россию в 1891 г. недорода ("не из самых крайних" [12, с. 98]) привел В. В. Докучаева к следующим, на наш взгляд, главнейшим выводам: ведущей причиной неурожая 1991 г. (и других лет) была не только и не столько жестокая засуха ("здесь не собрано и семян, а в соседнем поле получено 80—100 пудов (13—16 ц) с десятины" [12, с. 98]), но общее расстройство сельского и водного хозяйства России, обусловленное нерациональным истощительным использованием почв, в т. ч. вследствие социально-экономических факторов; для "реставрации степей" необходим комплекс мероприятий (агротехнических, гидротехнических, облесительных) с выработкой норм соотношения площади пашни, лугов, леса и вод; организация специальных научно-исследовательских учреждений. Все эти положения нашли свое воплощение в работе Особой Экспедиции Лесного департамента (1892—1897 гг.) "по испытанию и учету различных способов и приемов лесного и водного хозяйства в степях России" [20 с. 118].

В. В. Докучаевым была внесена ясность в причины "недородов" вслед­ствие не только климатических засух, но и в саму постановку вопроса о связи неурожаев и проявления засухи (в первую очередь, почвенной) с деградацией почв, утерей ими вследствие распашки благоприятных водно-физических свойств и изменении, вследствие этого, водного баланса естественных ланд­шафтов степи. В работе "Наши степи прежде и теперь", подчеркивая особое значение лесной подстилки и степного войлока для формирования "крупичатой" структуры черноземов, их способности в девственном состоянии хорошо поглощать влагу, В. В. Докучаев упоминает о наблюдениях Игнатьева, отметившего, что при снеготаянии "на целинной степи не видно больших потоков, тогда как на старопашных полях они бегут по всем направлениям" [12, с. 60]. Он ссылается также на мнение А. А. Измаильского, что " изменение свойств поверхности прежних степей, благодаря их распашке и уплотнению, вследствие пастьбы стад овец и других домашних животных, могло коренным образом изменить отношение почв к влаге" [12, с. 61]. А. А. Измаильский придавал роли степной растительности для природы края не меньшее значение, чем лесной. В. В. Докучаев также отмечал, что в ковыльных степях "промоины и рытвины развиваются очень медленно и обыкновенно с перерывами" [12, с. 60]. Позднее А. С. Козменко писал, что распашка территории и уничтожение лесов "повели за собой увеличение интенсивности стока" и "энергии размыва" [13, с. 13].

Количественные оценки гидрологического режима девственных терри­торий и его изменений под влиянием скотоводства и земледелия до сих пор крайне малочисленны. Полученные в ОПХ НИИСХ ЦЧП им. В. В. Докучаева в Каменной степи на элементарных стоковых площадках данные позволяют оценить эволюцию водного баланса территории при ее хозяйственном освоении (таблица 1). Они показывают, что запасы снеговой воды на сельскохозяйственной территории сильно (на 20—40%) уменьшаются вследствие уничтожения пышной целинной растительности с большой долей высокостебельных растений и мощной рыхло сложенной "подушки" отмирающих на зиму трав целины, препятствующих сдуванию снега.

Таблица 1 – Водный баланс талых вод на склонах в Каменной степи в среднем за 1950—1958 гг. [18, с. 12] 

Экосистемы, угодья, агрофоны

Водный баланс, мм

Снегозапасы, мм

Водопоглощение, мм

Сток, мм

Коэффициент стока

                                Заповедная территория

 

Степь некосимая (целина)

128

128

0

0

Территория, измененная скотоводством

Степь выпасаемая

98

42

56

0,57

Степь косимая

80

41

39

0,49

Территория, измененная земледелием

Стерня

103

43

60

0,58

Многолетние травы (люцерна)

98

40

58

0,59

Озимые

102

17

85

0,83

Зябь (вспашка)

78

47

31

0,40

 

На травянистой целине вся влага зимних осадков (в среднем 128 мм) без остатка поглощается почвой, т. е. поверхностный сток отсутствует полностью. Сенокошение и особенно выпас скота резко (в три раза) уменьшают просачивание влаги и увеличивают сток до 39—56 мм. На пашне (стерня и озимые) снегозапасы почти такие же, как на сенокосах и пастбищах, а уменьшение просачивания влаги до 43—17 мм увеличивает сток до 58—85 мм (58—83% от осадков).

Таким образом, скотоводство и земледелие привели к резкому ухудшению водного режима девственной территории. Если на целине все осадки хо­лодного периода поглощались почвой и поверхностный сток отсутствовал, то в агроландшафтах потери зимних осадков за счет снегопереноса и сублимации (испарения) увеличились на 25—50 мм, просачивание уменьшилось на 80—110 мм, и сток возрос до 30—85 мм. Уменьшение поступления влаги в почву, таким образом, обусловлено в меньшей степени потерями осадков при снегопереносе и в большей (главной) - снижением инфильтрационной способности почвы.

Уникальные материалы комплексных исследований водного баланса получены на Курском стационаре Института географии (ИГ) РАН, располо­женном на территории Центрально-Черноземного государственного заповедника им. проф. В. В. Алехина (таблица 2) [8]. В целом они аналогичны данным, полученным в Каменной степи. Кроме того, следует отметить, что с выгонов (выпасаемая степь) в логах (лощинах) при запасах снеговой воды 365 мм средний сток талых вод достигал 240 (!) мм при Кс = 0,66 [8]. Повышенный сток с выгонов наблюдался также в 1893—1895 гг. на водосборе балки Озерки (Каменная степь) составляя10—54 (в среднем 33) мм

Таблица 2 – Весенний водный баланс разных угодий и смыв почвы на Курском стационаре ИГ| АН СССР  

Угодье, агрофон

Водный баланс, мм

Коэфф. стока

Смыв почвы, мм

Снегозапасы, мм

Водопоглощение, мм

Сток, мм

Дубовый лес

160

157

3,3

0,019

0

Целина

140

130

10,0

0,071

0

Степь выпасаемая

120

74

46,0

0,380

0

Стерня

125

44

81,0

0,360

210

Озимые

110

29

81,0

0,740

430

Зябь (отвальная вспашка)

105

69

36,0

0,340

790

Примечание. Водный баланс в среднем за 1962—1971 гг.  смыв почвы – за 1962—1970 гг.

 

при Кс в среднем 0,20 (наши расчеты по публикации И. П. Сухарева [17]).

Оценки современного стока талых вод с пашни на Европейской террито­рии РФ, выполненные за период наблюдений 1948—2016 гг. ВНИАЛМИ, ИГ АН РАН, ВНИИЗиЗПЭ, Курской ЗОМС, НИИСХ ЦЧП им. В. В. Докучаева и другими научно-исследовательскими учреждениями России, Украины и Белоруссии, и обобщенные нами с использованием работ Г. П. Сурмача [3, 7. 19], свидетельствуют о значительной разнице в стоке талых вод между естественными угодьями (лес, целина) и сельскохозяйственными угодьями (зябь, озимые, многолетние травы и др.).

Отсутствие эрозии (или ничтожный смыв) на естественных угодьях, о котором писали В. В. Докучаев, П. А. Костычев, А. С. Козменко, Г. П. Сур- мач и другие исследователи, подтверждается как данными табл. 2, так и обобщением Е. А. Гаршинева [10]. На пахотных угодьях и при интенсивном выпасе скота на выгонах смыв достигает на Русской равнине в среднем 8—10 т/га и более в год, а в отдельные годы за один ливень может быть смыт весь пахотный горизонт (около 2000 т/га). Появляются и интенсивно растут овраги. Таким образом, антропогенный эрозионно-гидрологический процесс приобретает часто катастрофический характер, приводящий к сильнейшей деградации почвенного покрова и в целом среды обитания живого. Требуется неотложная разработка системы противоэрозионных мероприятий.

В системе противоэрозионных мероприятий особая роль принадлежит лесной мелиорации и, в первую очередь, стокорегулирующим лесным полосам, создаваемым по контуру горизонталей или близко к ним. Обобщенные данные свидетельствуют о несопоставимо высоких величинах водопоглощения под ними в сравнении с водопоглощением на пашне. Это позволяет с помощью стокорегулирующих лесополос увеличить  поглощение в средние по водности годы до 40—50 мм и более талых вод с полевых склонов (в многоводные годы – до 100 мм и более). Однако и эти показатели водопоглощения не предел. Применение гидротехнических и иных средств в лесополосах уменьшает промерзание почвы, способствует ее оструктуриванию и сплошному затоплению, что усиливает водопоглощение в 2—3 раза и более. При этом величины водопоглощения в лесополосах зависят от фильтрационных и водоудерживающих свойств подстилающих грунтов (таблица 3).

Таблица 3 – Осредненные величины весеннего максимального водопоглощения при различных приемах усиления инфильтрации в лесополосах

[по:1, 10,15,16]

 

Приемы усиления водопоглощения в лесополосах

Водопоглощение, мм

На грунтах с высокой

впитывающей способностью

(супесчаные, легкосуглинистые)

На грунтах с низкой

впитывающей способностью

(тяжелосуглинистые и глинистые)

А. Биологические (в междурядьях лесополос):

мульча из соломы

люпин

 

 

500

800

 

 

350—500

400—500

Б. Гидротехнические:

валы на опушке лесополосы

канава в междурядье лесополосы

вал + канава: вне лесополосы

вал на опушке лесополосы + канава в междурядье

 

3300

3600

2600

 

4400

 

500—700

1200—1300

-

 

1500—1700

В. Гидротехнические + гидромелиоративные: валы + канава + фильтрующие щели в междурядьях с   наполненителем осушительно – увлажнительный дренаж на нижележащем от лесополосы  поле

 

 

 

 

 

>4000

 

 

 

 

 

>1700

Г. Сочетание биологических, гидротехнических и гидромелиоративных приемов: мульчирование +  гидротехника +  гидромелиорация (дренаж)

 

 

 

>5000

 

 

 

>2000

 

 

 

Из данных таблицы 3 видно, что реальные приемы усиления водопоглощения в лесных полосах условно делятся на биологические (мульчированные), гидротехнические (валы, канавы, щели с фильтрующим наполнителем и др.), гидромелиоративные (осушительно-увлажнительный дренаж лесомелиорированных полей), комплексные (биологические, гидрологические, гидромелиоративные). Если в стокорегулирующих лесных полосах среднее водопоглощение составляет 400—600 мм [15], то в лесополосах с методами усиления водопоглощения оно увеличивается в несколько раз и может достигать в максимуме 1500—2000 мм и более (на грунтах с низкой впитывающей способностью)

Географически ландшафтно-кластерный принцип улучшения и преобразования гидрологического режима степных засушливых территорий разработал В. В. Докучаев [12]. Он предусматривал сбалансированное комплексное использование различных кластеров в рациональном аграрном природопользовании для эффективного, экономного (бережного), экологического и неразрушающего подхода к использованию природных ресурсов (влаги, почвенного плодородия, энергии, труда и др.). Важнейшие кластеры адаптивно-ландшафтного сберегающего земледелия – это противоэрозионная организация использования территории землепользования, противоэрозионная влагосберегающая агротехника, структура посевных площадей и противоэрозионная ярусность угодий, агролесомелиорация, противоэрозионная гидротехника, лугомелиорация и другие.  Наиболее важная роль в преобразовании гидрологического режима степных засушливых агроландшафтов принадлежит противоэрозионной лесомелиорации.

Чтобы выявить основные количественные величины элементов водного весеннего баланса, преобразованных методами агролесомелиорации агролесоландшафтов, на Поволжской АГЛОС были подобраны и оборудованы несколько опытных водосборов с разным соотношением элементов ландшафтов. Характеристика приведена в таблице 4. Результаты сравнительного изучения элементов водного баланса за период 1971—1977 года приведены в таблице 5.

Таблица 4 – Основные показатели опытных водосборов Поволжской АГЛОС [16]

 

Наименование

водосбора

 

 

Пло

щадь,

га

Экспо

зиция

склона

Средняя

крутизна

склонов, град.

Средние

размеры, км

Лесистость

(%)

длина

шири-

на

общая

противоэро-

зионная

пашни

Простые водосборы

«Пастбище»

1,2

Ю

5,0

0,2

0,1

0

0

«Полевой»

15,2

В

2,0

0,8

0,2

0

0

«Лесомелиори-рованный»

14,7

Ю

1,7

1,0

0,15

4,6

4,6

«Лесной массив»      

4,2

З

1,7

0,6

0,1

100

100

Комплексные водосборы

«Первомайский

96,1

В

1,9

1,8

0,5

14,6

0

«Питомник»

68,7

В

1,9

1,9

0,5

19,7

10,0

 

 

Они показали высокую степень воздействия, преобразования и улучшения влагообеспеченности сельхозкультур в лесомелиорированных ландшафтах. В них существенно увеличиваются приходные части баланса (осадки, впитывание) и сокращаются непродуктивные расходные (сток, потеря снега на перенос и сублимацию, на физическое испарение).

 

Водосбор

Запас снеговой воды + осадки за период снеготаяния, мм

Впиталось в почву – валовое увлажнение, мм

Поверхностный сток, мм

Коэффициент стока

Смыв почвы, мз/га

Простые водосборы

«Пастбище»

87

40

47

0,54

0,1

«Полевой»

11

90

20

0,18

0,8

«Лесомелиори-рованный»

141

134

7

0,05

0,2

«Лесной  массив»

148

148

0

0

0

Комплексные водосборы

«Первомайский»

117

94(89)

23(28)

0,20(0,24)

0,6

«Питомник»

148

141(144)

7(4)

0,5(0,02)

0


Таблица 5 – Основные элементы весеннего водного баланса простых  и комплексных  опытных водосборов (средние данные за 1971 – 1977 гг.), Поволжская АГЛОС

Примечания. 1. В графе «впиталось в почву (мм)» данные приведены без учета слоя испарившейся воды с поверхности почвы и снега за период снеготаяния. В скобках –данные по стоку после корректировки на влияние опушечных сугробов и размещения лесных полос вдоль склона. 2. Простые водосборы – водосборы ложбинного типа с одним видом ландшафта, угодий (поле, естественное пастбище, поле с лесомелиорации, лес).Комплексные водосборы – лощинные и суходольные, с комплексом разных ландшафтов(поле + лесные полосы + пастбища + естественный лес).

 

Систематизация, анализ и обобщение Е. А. Гаршиневым и А. Т. Барабановым [1, 3, 10] обширной собственной и литературной информации (около 1150 годовариантов) о стокорегулирующей и противоэрозионной эффективности агротехнических, гидротехнических, лесомелиоративных мероприятий и их различных сочетаний, полученных преимущественно с применением метода воднобалансовых (стоково-эрозионных) площадок, элементарных и сложных водосборов (таблица 6), позволяет сделать ряд важных заключений об эффективности систем (комплексов) противоэрозионных мероприятий и при их осуществлении в антропогенно преобразованных агроэкосистемах и агролесоландшафтах. Первое, что необходимо отметить – это низкую стокорегулирующую эффективность агротехнических приемов, оcобенно приемов устройства микрорельефа на пашне (лункование, бороздование, микролиманы, щелевание на глубину до 50 см и др.). Эти приемы уменьшают слой талого стока в среднем не более чем на 5—10 мм, а часто даже увеличивают его.

 

Таблица 6 – Обобщенные характеристики элементов водного баланса и максимального водопоглощения талых вод на естественных, антропогенно измененных стокорегулирующими приемами угодьях [1]

Угодья, агрофоны,

стокорегулирующие приемы

Снего-запасы, мм

Сток, мм

Уменьшение (-), увеличение (+) стока в сравнении с контролем

Водопоглощение,мм

среднее

максимальное

1. Естественные девственные и антропогенно измененные угодья

(без подтока со склонов)

1.1. Лесные насаждения

Леса естественные

180

2

-48

178

8000

Лесополосы: молодые

взрослые

330

40

-10

290

1250

170

5

-45

165

2800

1.2. Травянистая растительность

Целина некосимая

130

0

-50

130

8000

Целина косимая

 

40

-10

40

50

Целина выпасаемая

100

60

+10

40

130

1.3. Пашня без специальных стокорегулирующих приемов

Пашня: зябь

110

50

0

60

1300

Уплотненная пашня (многолетние травы и др.)

50

240

 

120

70

+20

50

240

2. Антропогенно улучшаемый ландшафт с применением стокорегулирующих приемов

2.1. Агротехнические приемы

Глубокое рыхление, окультуривание почв

100

40

-10

60

90

Искусственный микрорельеф

100

45-66

+5...-5

45-55

50-75

2.2. Гидротехнические приемы

Валы-террасы

100

10-20

-30   -40

80-90

220-470

Водопоглощающие канавы

100

5-15

-35...-45

85-95

300-970

2.3. Контурные комбинированные приемы, сочетающие задержание и поглощение воды в поле и на рубежах

Лесополоса без средств усиления

100

15

-20

85*

960

300*

1300

 

Лесополосы + вал в лесополосе

100

10

-25

90*

1300

470*

3300

Лесополоса + вал + канава

100

5

-30

95*

1400

970*

4400

Примечание. * – в числителе водопоглощение в поле, в знаменателе – на рубеже.

 

Нами обобщены имеющиеся данные, которые свидетельствуют о том, что стокорегулирующая и противоэрозионная эффективность их низкая [5]. Из 215 годоопытов (случаев) положительный стокорегулирующий эффект от применения искусственного микрорельефа составляет 39% случаев, отрицательный – 31% и нулевой – 30%. В 64% случаев эффект был всего ± 5 мм, что находится в пределах точности опыта. Средние же величины эффекта колеблются около нуля. В прямой зависимости от стокорегулирующей находится и его противоэрозионная эффективность. Средняя величина сокращения смыва на серых лесных почвах при применении обвалования 0,7 т/га, а на лункованной зяби смыв увеличился в среднем на 0,2 т/га. Причина низкой его эффективности в следующем. Величина стокорегулирующего эффекта искусственного микрорельефа на зяби обусловливается ёмкостью микрорельефа, впитывающей способностью почвы и разницей между снегозапасами на контрольном варианте и варианте с микрорельефом (снегозадерживающий эффект). Ёмкость микрорельефа является величиной постоянной. Она зависит от вида орудия, применяемого для устройства микрорельефа, и составляет 30—40 мм. Разница в снегозапасах на контроле и на варианте с микрорельефом также величина постоянная, она связана с ёмкостью микрорельефа и составляет 10—15 мм. Эта величина отрицательная и чем больше абсолютное значение её, тем меньше стокорегулирующий эффект. Важнейшим показателем, который обусловливает стокорегулирующий эффект и который, как правило, не учитывается, является впитывающая способность почвы. Эффект от микрорельефа мог бы быть равным или больше величины его ёмкости, если бы впитывающая способность почвы на опытном варианте была бы равна или больше, чем на контроле, а снегозапасы на обоих вариантах одинаковые, т. е. мы достигли бы ожидаемого эффекта.

Однако, во-первых, микрорельеф играет снегозадерживающую роль, что приводит к снижению эффекта, а во-вторых, как показывают исследования, при устройстве микрорельефа снижается водопроницаемость почвы. Причины снижения водопроницаемости следующие: уплотнение почвы гусеницами трактора и колёсами орудий при поделке микрорельефа после вспашки и рабочими органами орудий при его устройстве в самих ёмкостях микрорельефа; уменьшение мощности рыхлого слоя в днище ёмкости, что равносильно уменьшению глубины вспашки, а это, как известно, приводит к уменьшению впитывающей способности почвы; образование наилка и закупорка пор в связи с формированием микростока и смыва с бортов ёмкостей во время осенних дождей; переувлажнение почвы в днищах ёмкостей с осени и последующая закупорка пор льдом зимой; образование льда в ёмкостях микрорельефа. Таким образом созданные искусственные ёмкости микрорельефа не компенсируют потери на впитывании, и сток не сокращается. Кроме того, когда отдельные емкости переполняются и размываются, то создается «лавинный эффект» и размываются остальные.

Пути повышения стокорегулирующей эффективности могут быть следующие: сохранение впитывающей способности почвы на уровне контроля и увеличение её, создание ёмкостей маленьких по размеру, но с большим суммарным объёмом водозадержания. Сохранение впитывающей способности почвы на вариантах с искусственным микрорельефом на уровне контроля или увеличение её можно достигнуть путём мульчирования поверхности почвы, применением искусственных структурообразователей, совместного применения микрорельефа и лесных полос и др. Но эти меры сильно не повысят стокорегулирующую эффективность микрорельефа, так как он почти не влияет на природные факторы (глубина промерзания, влажность почвы, снегозапасы), обусловливающие формирование стока.

Низкий эффект агротехнических приемов в регулировании талого стока легко объясняется с позиций теории формирования сплошной менисковой пленки в почве и ледяного экрана, разработанной Е. А. Гаршиневым [11]. Ее положения обобщаются законом лимитирующих факторов стока, сформулированным А. Т. Барабановым [2,3,6].

Суть закона заключается в том, что при некотором минимальном значении одного из трех лимитирующих факторов (снегозапасы, глубина промерзания и влажность почвы) поверхностный сток не формируется независимо от уровня двух других. На основе закона разработан метод высокоточного прогноза поверхностного стока талых вод. Алгоритм прогноза стока в зависимости от уровня природных факторов приведен в таблице 7.

Таблица 7 – Алгоритм прогноза поверхностного стока талых вод

в зависимости от уровня природных факторов

Уровень факторов

Характер формирования стока

глубина промерзания почвы, см

запасы воды в почве (слой 0—50 см), мм

снегозапасы, мм

Менее 50

Любой

Любой

Сток не формируется

Более 50

Менее 70—120

(по зонам)

Любой

Сток не формируется

Более 50

Более 70—120

(по зонам)

Меньше объема микрорельефа

Сток не формируется

Более 50

Более 70—120

(по зонам)

Больше объема микрорельефа

Сток формируется, величина его зависит от уровня запасов воды в снеге и почве и рассчитывается он по уравнениям [ 3]

 

 В соответствии с этим законом важнейшими природными факторами стока талых вод являются снегозапасы, увлажнение и глубина промерзания почвы. Интенсивность и продолжительность снеготаяния и другие факторы на величину стока талых вод практически не влияют. Объясняется это тем, что верхний слой мерзлой почвы (0—30 см) при ее оттаивании увлажняется до наименьшей и даже полной влагоемкости, т. е. оттаивающая почва как саморегулирующаяся система поглощает максимально возможное количество воды, обусловленное дефицитом ее влажности, а остальная вода стекает. Дефицит влаги (разница между полной влагоемкостью Wпв и фактическими влагозапасами Wф) обусловливает величину водопоглощения. Слой стока У зависит от дефицита влаги в почве ?W и снегозапасов перед снеготаянием Wс. В общем виде уравнение можно записать так:

 

Опираясь на выявленные закономерности и связи, был разработан метод прогноза стока с сельскохозяйственной территории. Для этого используется уравнение:

где У – слой стока с сельскохозяйственных угодий (мм), Уai – слой стока с i-того агрофона (зябь, уплотненная пашня, кормовые угодья гидрографической сети и т.д.), который определяется по уравнениям связи стока с природными факторами (мм), Sai – соответственно площадь этих агрофонов.

Метод прогноза стока получил  многолетнюю апробацию в разных природных зонах. Он позволяет с высокой точностью прогнозировать сток талых вод с сельскохозяйственных угодий.

Второе важное обстоятельство заключается в том, что максимальное стокорегулирование обеспечивают гидротехнические приемы на пашне (валы-террасы) и стокорегулирующие лесополосы в сочетании со средствами гидротехники (валы, канавы и особенно их комбинация). Высокий эффект поглощения талых вод обеспечивают также массивы лесной и целинной травянистой растительности.

Из закона лимитирующих факторов стока талых вод вытекает вывод, что, воздействуя на природные факторы стока (снегозапасы, увлажнение и глубина промерзания почвы), можно совершенствовать известные и разрабатывать новые приемы управления эрозионно-гидрологическими процессами. При этом возможности совершенствования агротехнических стокорегули­рующих приемов ограничены, так как они почти не влияют на природные факторы стока.

В области лесомелиорации имеются большие перспективы в плане совершенствования и разработки новых приемов. Лесомелиоративные мероприятия сильно воздействуют на природные факторы, особенно на снегозапасы (снегоотложение), на глубину и характер промерзания почвы.

Для предохранения почвы от замерзания достаточно того, чтобы мощ­ность снега была не больше 20—30 см к началу установления морозов и по мере усиления их увеличивалась до 50—80 см. Дальнейшее увеличение мощности снега в лесополосах нецелесообразно и даже может иметь отрицательные последствия. Решить эту задачу можно путем совершенствования конструкций лесополос. Требуется, чтобы лесополоса способствовала накоплению снега при первом снегопаде, а по достижении необходимой мощности – равномерному его распределению в межполосном пространстве. Для этого в лесополосу нужно вводить низкорослый (до 50 см) кустарник. Таким образом, лесополоса должна быть плотной в нижней части (до 50 см) и продуваемой в средней и верхней частях.

Лесные полосы, как постоянно действующий фактор, оказывают мощное влияние на накопление снега и характер снегоотложения. Причём влияние это зависит от ветрового режима, способа их размещения, конструкции, параметров (количество рядов, ширина и др.), расстояния между ними. Как в зональном плане, так и на разных элементах рельефа и при различной ориентации к странам света это воздействие бывает разное.

При этом лесополосы плотной конструкции (с одним или двумя рядами кустарников без просветов по всему профилю), задерживая и перераспределяя на местности снег, обусловливают его накопление в самих себе и в приопушечных частях (зонах отложения снежных шлейфов), что способствует дополнительному увлажнению почвы и обеспечению деревьев необходимым количеством влаги, предотвращению промерзания почвы в них и, как результат, снижению стока и эрозии. Однако недостатком таких лесополос является то, что под их воздействием снег сдувается с полей и накапливается в больших количествах (до 150—200 см и более) в них самих и на опушках, что предопределяет потерю снеговой воды с полей и перевод ее потускулярно в грунтовые воды. Лесополосы продуваемой и ажурной конструкций без кустарников и с большим количеством просветов между стволами (35—60%), способствуя выдуванию снега из них и обеспечивая только частичное сохранение его на полях, не предохраняют почву от глубокого промерзания, что приводит к резкому уменьшению впитывающей способности почв и увеличению эрозии.

Такие полосы отлично распределяют снег на защищаемых полях, но в самой полосе он практически не накапливается, и они испытывают недостаток влаги, вследствие чего ослабляются и начинают разрушаться. В идеале нужна такая конструкция лесной полосы, которая бы оптимально распределяла снег на защищаемых полях (как продуваемая), но и накапливала достаточное количество снега чтобы обеспечивать потребности самого насаждения в воде и предотвращать почву от промерзания. Такими возможностями обладают полезащитные и стокорегулирующие лесополосы комбинированной конструкции. Они создаются из 2—3 рядов деревьев и 1 ряда низкорослых кустарников. При этом формируют следующую продуваемость их по профилю: в нижней части (до 0,3—0,5 м от поверхности земли) лесополоса должна быть плотная (до 10% просветов и до 25—30% ветропроницаемость), в средней (до 1,5—2,0 м) – продуваемая (свыше 60% просветов и более 70% ветропроницаемость) и в верхней (выше 2 м) – ажурная или плотная (до 15—35% просветов и 25—75% ветропроницаемость). Плотную нижнюю часть создают методом подбора низкорослого кустарника при посадке или путем подрезки высокорослого кустарника до необходимой высоты в существующих лесополосах. В качестве низкорослого кустарника можно использовать разные виды жимолости, боярышника, кизильника, кустарниковой вишни, японскую айву, ежевику, бобовник, спирею и др. Продуваемую часть профиля формируют подбором пород без сучьев или с небольшим их количеством на высоте до 2 м при закладке новых лесополос или путем обрезки сучьев на деревьях в существующих.

Влияние лесных полос на снегозапасы и снегоотложение важно знать и учитывать не только как фактор, влияющий непосредственно на сток и эрозию почв, но и на увлажнение и промерзание почвы, которые в свою очередь являются также факторами эрозионно-гидрологического процесса. Специфический характер снегоотложения под воздействием лесных полос обусловливает и соответствующий характер увлажнения и промерзания почвы как в самих лесополосах, так и на полях, то есть эти природные факторы влияют на эрозионно-гидрологические процессы во взаимодействии как между собой, так и с антропогенными (лесные полосы и др.).

Могут быть другие пути регулирования снегоотложения с целью предо­хранения почвы от замерзания, например, посев кулис из сельскохозяйствен­ных растений, вспашка с оставлением кулис из высокой стерни, микрокулисная вспашка и др.

На предзимнее увлажнение почвы лесные полосы мало влияют, а зимой, сохраняя почву в талом состоянии, они предохраняют ее от переувлажнения во время оттепелей, так как в таком состоянии влажность ее не может быть выше наименьшей влагоемкости. Таким образом, воздействуя на замерзание почвы, мы можем влиять на ее влажность.

Знание закона лимитирующих факторов позволило нам разработать и другие новые способы регулирования снегоотложения с целью управления эрозионно-гидрологическим процессом.  Для условий, где возможно относительно равномерное распределение снега, предлагается следующий способ. На склоне создается система лесных полос в сочетании с кулисами из высокостебельных сельскохозяйственных растений. Для этого поперек склона или по контуру (вдоль горизонталей) размещаются лесополосы с изменяющейся ветропроницаемостью (уменьшающейся сверху вниз по склону): продуваемая приводораздельная, продуваемая стокорегулирующая, ажурно-продуваемая стокорегулирующая, ажурная стокорегулирующая и плотная прибалочная. На межшлейфовых участках межполосных пространств (кроме продуваемых лесополос) высеваются кулисы из высоко­стебельных сельскохозяйственных растений. При использовании этого способа весь выпавший снег откладывается на полях относительно равномерно с увеличением мощности сверху вниз, что обусловливает постепенное стаивание его в этом же направлении. При этом талая вода, стекающая по освобожденной поверхности, попадая в снег, еще лежащий в нижней части, почти не производит на ней смыва.

В районах, где на склонах у стокорегулирующих лесных полос образуются снежные шлейфы, предлагается применять другой новый способ размещения стокорегулирующих лесных полос и сельскохозяйственных культур. Заключается он в создании на водосборе системы лесных полос и крупнополосном размещении сельскохозяйственных культур в прилегающих к ним зонах во взаимосвязи. Вблизи лесных полос, в зонах отложения снежных шлейфов, высевают яровые культуры, под которые требуется вспашка зяби, или размещают чистые пары, а в межшлейфовых частях межполосного пространства – многолетние травы, стерневые и другие мульчирующие агрофоны. При этом в процессе таяния снега в первую очередь освобождается от него средняя часть межполосного пространства. Талая вода, поступая из примыкающего к нижней опушке вышележащей лесополосы снежного шлейфа на почвозащитную полосу, вообще не производит на ней смыва или он резко уменьшается. Пройдя через эту полосу, вода поступает на участок с отвальной зябью в зону снежного шлейфа, образованного нижележащей лесополосой. Здесь под снегом она также не производит смыва. Все это обеспечивает снижение смыва в 2—3 раза, а в ряде случаев может предотвратить его полностью. Таким образом, лесомелиоративные мероприятия, воздействуя на природные факторы, сильно влияют на эрозионно-гидрологический процесс. Знание закономерностей взаимодействия их и влияния на сток и смыв позволяет управлять этим процессом.

 

Заключение

Оценка всех способов и приемов управления эрозионно-гидрологическим процессом позволили выявить наиболее перспективные. Ими могут быть приемы, направленные на регулирование поверхностного стока путем потускулярного перевода его в грунтовый (лесные полосы, водозадерживающие валы и канавы и др.); безопасный сброс по поверхности (наклонные водоотводящие борозды, распылители стока, водоотводящие валы и др.); повышение противоэрозионной устойчивости почв (минимизация обработки, плоскорезная обработка, использование мно­голетних трав для улучшения структуры почв и др.); использование почвозащитных свойств растительности (почвозащитные севообороты, постоянное залужение сильноэродированных участков, совершенствование структуры посевных площадей и др.).

В силу указанных обстоятельств стратегия противоэрозионной мелиорации должна исходить из того, что необходимый стокорегулирующий эффект, способный практически возродить ситуацию естественного эрозионно-гидрологического режима в деградированных агроландшафтах, может обеспечить лишь искусственно создаваемая система контурных стокорегулирующих и противоэрозионных рубежей – в перовую очередь, лесных полос в сочетании с гидротехническими приемами, создающих своеобразный каркас на местности. Агротехнические приемы в управлении ЭГП выполняют лишь ограниченную роль, а применение гидросооружений (валов-террас) на пашне лимитируется сложностью их создания и эксплуатации. Наиболее перспективными приемами регулирования эрозионно-гидрологического процесса являются лесомелиоративные. Они многофункциональны, долговечны и высокоэффективны и есть возможности их дальнейшего совершенствования.

Таким образом, знание закона лимитирующих факторов стока позволяет целенаправленно строить системы адаптивно-ландшафтного земледелия и управлять эрозионно-гидрологическим процессом.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского гуманитарного научного фонда и Администрации Волгоградской области в рамках научного проекта №16-16-34001 а(р)

Литература

  1. Агролесомелиоративное адаптивно-ландшафтное обустройство водосборов / Кочетов И. С. , Барабанов А. Т , Гаршинев Е. А. и др. / Волгоград, 1999. 84 с.
  2. Барабанов А. Т. Закон лимитирующих факторов стока талых вод // Докл. РАСХН. 1994.  № 6.  С. 36—38.
  3. Барабанов А. Т. Агролесомелиорация в почвозащитном земледелии. Волгоград, 1993.  156 с.
  4. Барабанов А. Т. Роль и место агролесомелиорации в адаптивно-ландшафтной системе земледелия // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2015. № 2(38). С.22—31.
  5. Барабанов А. Т. Роль и место агротехнических противоэрозионных мероприятий в системе адаптивно-ландшафтного земледелия //Вклад аграрной науки в развитие земледелия юга Российской Федерации. Инновационное развитие АПК: матер. междунар. науч.-практ. конф.
  6. Волгоград: ООО «Сфера», 2015. С.366—369.
  7. Барабанов А. Т., Панов В. И. Сохранение экологического потенциала Волго-Ахтубинской поймы на основе высокоточного прогноза поверхностного стока талых вод в Волжско-Камском бассейне // Вода: химия и экология. 2014. №8. С.17—23.
  8. Барабанов А. Т., Гаршинев Е. А. Оценка весеннего поверхностного стока в степи и лесостепи Европейской территории РСФСР, Украины и Белоруссии // Бюл. ВНИАЛМИ. Волгоград, 1987. Вып. 2 (51). С. 5—9.
  9. Водный баланс основных экосистем Центральной лесостепи: материалы эксперимент, исследования / Под ред. А. М. Грина/. М., 1974. 133 с.
  10. Виноградов Ю. Б. Математическое моделирование процессов фор­мирования стока. Опыт критического анализа. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 312 с.
  11. Гаршинев Е. А. Эрозионно-гидрологический процесс и лесомелиорация: Экспериментальная оценка, расчет, проектирование.  Волгоград, 1999. 220 с.
  12. Гаршинев Е. А.Эрозионно-гидрологический процесс и лесомелиорация: Теория и модели. Волгоград, 1999.  196 с.
  13. Докучаев В. В. Наши степи прежде и теперь // Сочинения.  М.-Л.: Изд. АН СССР, 1951.Т. VI. С. 11—102.
  14. Козменко А. С. Краткий предварительный отчет заведующего А. С. Козменко о ходе оценочно-гидрологических исследований в 1909 году. Тула, 1909. 56 с.
  15. Львович М. И. Мировые водные ресурсы и их будущее.  М.: Мысль, 1974. 448 с.
  16. Панов В. И. Водный баланс и эрозия на черноземах Степного Заволжья //Автореф. дис. … канд. географ. наук. М., 1975. 32 с.
  17. Панов В. И. Преобразование  гидрологического режима территории агролесомелиоративными комплексами // Вестник сельскохозяйственной  науки. 1979. № 12. С. 133—141.
  18. Сухарев И. П.Регулирование и использование местного стока. М.: Колос, 1976. 272 с.
  19. Сухарев И. П., Пашнев Г. С.Пруды Центрально-Черноземной полосы. Воронеж, 1968. 150 с.
  20. Сурмач Г. П. Водная эрозия и борьба с ней. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 254 с.
  21. Труды экспедиции, снаряженной Лесным департаментом, под руко­водством проф. В. В. Докучаева // Сочинения.  М.-Л.: Изд. АН СССР, 1951.  С. 103—204.

 

Literatura

  1. Agrolesomeliorativnoe adaptivno-landshaftnoe obustrojstvo vo-dosborov / Kochetov I. S., Barabanov A. T., Garshinev E. A i dr. Volgograd, 1999. 84 s.
  2. Barabanov A. T. Zakon limitirujushhih faktorov stoka talyh vod / A. T. Barabanov // Dokl. RASHN. 1994.  № 6.  S. 36—38.
  3. Barabanov A. T. Agrolesomelioracija v pochvozashhitnom zemledelii.- Volgograd, 1993. 156 s.
  4. Barabanov A. T. Rol' i mesto agrolesomelioracii v adaptivno-landshaftnooj sisteme zemledelija // Izvestija Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. 2015. № 2(38). S.22—31
  5. Barabanov A. T. Rol' i mesto agrotehnicheskih protivojerozionnyh meroprijatij v sisteme adaptivno-landshaftnogo zemledelija //Vklad agrarnoj nauki v razvitie zemledelija juga Rossijskoj Federacii. Innovacionnoe razvitie APK: mater. mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Volgograd: OOO «Sfera», 2015. S.366—369.
  6. Barabanov A. T. , Panov V. I. Sohranenie jekologicheskogo potenciala Volgo-Ahtubinskoj pojmy na osnove vysokotochnogo prognoza poverhnostnogo stoka talyh vod v Volzhsko-Kamskom bassejne. // Voda: himija i jekologija. 2014. №8.17—23 s.
  7. Barabanov A. T. , Garshinev E. A.Ocenka vesennego poverhnostnogo stoka v stepi i lesostepi evropejskoj territorii RSFSR, Ukrainy i Belorussii // Bjul. VNIALMI. Volgograd, 1987.  Vyp. 2(51). S. 5—9.
  8. Vodnyj balans osnovnyh jekosistem Central'noj lesostepi: Materialy jeksperiment, issledov. (Prilozhenija) / Pod red. A. M. Grina.  M., 1974. 133 s.
  9. Vinogradov Ju. B. Matematicheskoe modelirovanie processov for¬mirovanija stoka. Opyt kriticheskogo analiza. L.; Gidrometeoizdat, 1988. 312 s.
  10. Garshinev E. A. Jerozionno-gidrologicheskij process i lesomelioracija: Jeksperimental'naja ocenka, raschet, proektirovanie.  Volgograd, 1999. 220 s.
  11. Garshinev E. A. Jerozionno-gidrologicheskij process i lesomelioracija: Teorija i modeli. Volgograd, 1999.  196 s.
  12. Dokuchaev V. V. Nashi stepi prezhde i teper' // Sochinenija.  M.-L.: Izd. AN SSSR, 1951. T. VI.  S. 11—102.
  13. Kozmenko A. S. Kratkij predvaritel'nyj otchet zavedujushhego A. S. Kozmenko o hode ocenochno-gidrologicheskih issledovanij v 1909 godu. Tula, 1909. 56 s.
  14. L'vovich M. I. Mirovye vodnye resursy i ih budushhee.  M.: Mysl', 1974. 448 s.
  15. Panov V. I. Vodnyiy balans i eroziya na chernozemah Stepnogo Zavolzhya //Avtoreferat dissertatsii na soiskanie uchenoy stepeni kandidata geograficheskih nauk. M., 1975. 32 s.
  16. Panov V. i. Preobrazovanie gidrologicheskogo rezhima territorii agrolesom eldiorativnyimi kompleksami // Zhurnal «Vestnik selskohozyaystvennoy nauki», 1979, № 12. S. 133—141.
  17. Suharev I. P. Regulirovanie i ispol'zovanie mestnogo stoka.  M.: Kolos, 1976. 272 s.
  18. Suharev I. P., Pashnev G. S. Prudy Central'no-Chernozemnoj polosy. Voronezh, 1968.  150 s.
  19. Surmach G. P. Vodnaja jerozija i bor'ba s nej.  L.: Gidrometeoizdat, 1976. 254 s.
  20. Trudy jekspedicii, snarjazhennoj Lesnym departamentom, pod rukovodstvom prof. V. V. Dokuchaeva // Sochinenija.  M.-L.: Izd. AN SSSR, 1951.  S. 103—204.


[1] Институт географии РАН, Всероссийский научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии, Курская зональная опытно-мелиоративная станция, Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Центрально-Черноземной полосы им. В. В. Докучаева и др.

 

Библиографическая ссылка

Барабанов А. Т., Панов В. И., Преобразование гидрологического режима агроландшафтов защитными лесными насаждениями // «Живые и биокосные системы». – 2016. – № 16; URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-16/article-6