CC BY
23
Влияние сельскохозяйственного землепользования на водный баланс водосборов рек и атмосферные осадки на Южном Урале
Ю.М. Нестеренко, д.г.н., Ф.Г. Бакиров, д.с.-х.н., ОНЦ УрО РАН
Важнейшей особенностью степной зоны Южного Урала является превышение испаряемости над атмосферными осадками, обусловившей засушливость её климата и формирование засухоустойчивой степной растительности на большей её части.
В условиях превышения испаряемости над атмосферными осадками вода стала дефицитным фактором, определяющим направление и скорость прохождения многих процессов, идущих в природе степной зоны, создавая её биогеосистемы и почвы, отличающиеся от биогеосистем и почв достаточно или избыточно увлажнённых территорий. В вододефицитных территориях природный ландшафт не похож на ландшафт водообеспеченных территорий. Горы, реки, озёра, подземные воды, степи, почва, недра, воздух и связи между ними имеют количественные и качественные особенности, характерные только для вод о дефицитных территорий. Поэтому исследование природных вод, их взаимодействия с другими компонентами природы является основой правильного понимания многих процессов, идущих в ней.
Природные воды являются результатом комплексного взаимодействия выпадающих атмосферных осадков с конкретной природной средой: земной поверхностью, атмосферой, недрами и живой материей. Атмосферные осадки являются основной естественной приходной статьи водных ресурсов ландшафтов степной зоны. От них зависит соотношение расходных статей водного баланса.
Дефицит влаги определяет ход многих природных процессов, идущих в степной зоне: формирование и развитие степи и её почв, древесной и травянистой растительности, животного мира, формирование и режим поверхностных и подземных вод, современные процессы в геологической среде верхней части земной коры, а также специфику природопользования и охраны природы.
С возрастанием дефицита водной компоненты в системе факторов, обеспечивающих процессы, идущие в природе, всё сильнее проявляется её лимитирующее влияние на них, вплоть до прекращения одних и развития других процессов. С повышением водообеспеченности происходят ускорение, а затем замена идущих в природе процессов, обусловленных её недостатком, на процессы, свойственные более высокому уровню обеспеченности водной компонентой.
Колебания в количестве выпадающих атмосферных осадков и обеспеченности теплом территорий
в течение года и их цикличность формируют динамическое равновесие между водной компонентой и процессами, идущими в природе: смещается граница степи и леса, степи и пустыни, замедляются или ускоряются процессы водной и ветровой эрозии, изменяется продуктивность биоценозов и их состав и т.д. На этот естественный процесс в природе воздействует антропогенный фактор, сдвигающий динамическое равновесие в ней в ту или иную сторону и даже заменяющий одни процессы другими. Антропогенный фактор также действует в зависимости от уровня обеспеченности территорий водой.
Материал и методы исследования. Цель исследования — изучение водных ресурсов степной зоны, их формирования и использования в естественных и антропогенно изменённых условиях, а также их влияния на процессы, идущие в ней.
Природные процессы, идущие в вододефи-цитных территориях, значительно отличаются от процессов в водообеспеченных зонах, что ограничивает возможность использования на них методик исследований, применяемых в других климатических условиях. Необходимы методики исследований, учитывающие особенности природы исследуемого региона.
Исследование водной компоненты степной зоны и её взаимодействия с другими её составляющими проведены на Южном Урале.
Результаты исследования. Южный Урал имеет высокий уровень развития сельского хозяйства и промышленности и в связи с этим испытывает двойной пресс антропогенного воздействия на природу: на сельскохозяйственные земли, занимающие около 90% территории региона и промышленные зоны, тяготеющие к городам и занимающие только 2% территории. При этом интенсивность антропогенного воздействия на единицу сельскохозяйственной площади меньше, чем в промышленности. Но в расчёте на всю площадь сельскохозяйственных угодий суммарные нагрузки значительно превышают промышленные.
На сельскохозяйственных угодьях изменились водно-физические свойства и качество почвы. Следствием этого стали изменения в балансе природных вод зоны активного водообмена и атмосферных осадков [1]. В степной зоне системы сельскохозяйственного землепользования направлены на увеличение запасов влаги на полях за счёт уменьшения поверхностного и подземного водного стока. В таблице 1 приведены данные о средних многолетних запасах влаги в почвах различных угодий Покровского опытного участка в Центральной зоне Оренбургской области. Малая
скорость впитывания на выбитой целине обусловила большой поверхностный сток талых вод и относительно малые запасы влаги в почве. После зяблевой её распашки значительно увеличивается инфильтрация воды в почву, повышая запасы влаги в 1,5-метровом слое на 51 мм, а в 2-метровом на 71 мм в сравнении с выбитой целиной и стернёй [2].
Накопленная на пахотных землях влага расходуется в основном на суммарное испарение, увеличивая количество воды в атмосфере. При ограниченной её влагоёмкости 20 мм в осаждённом виде влага, конденсируясь, выпадает в виде дополнительных атмосферных осадков (назовём их антропогенными), увеличивая малые круговороты воды на континенте и повышая эффективность её использования.
Изучение водного баланса на водосборе малой реки Самары в Южном Предуралье (табл. 2) выявило увеличение годовой суммы атмосферных осадков в период интенсивного землепользования (II) на 56 мм в сравнении с периодом экстенсивного землепользования до освоения целинных земель (I). В период интенсивного землепользования увеличилось и суммарное испарение с полей на 41 мм, пополняя запасы влаги в атмосфере, выпадающие в виде антропогенных осадков. Однако количество осадков превышает величину дополнительного испарения с полей из-за перераспределения части водного стока в продуктивные запасы влаги [3—5].
Вероятно, увеличение атмосферных осадков произошло также за счёт дополнительного их поступления с циклонами. Для его выявления нами был исследован режим атмосферных осадков на метеостанциях Центрального Предуралья, расположенных в зоне достаточного увлажнения, в которой не проводятся ввиду отсутствия необходимости сельскохозяйственные мероприятия по накоплению дополнительной влаги на полях и соответственно нет увеличения испарения с
сельскохозяйственных и других угодий. В этих условиях средние многолетние величины атмосферных осадков в среднем по метеостанциям Пермь, Бисер, Чердынь, Уфа, Дуван, Януал и Елабуга в Пермском крае, республиках Башкортостан и Татарстан [5, 6] в периоде II увеличились на 30 мм в сравнении с периодом I. Это увеличение можно отнести в основном за счёт дополнительного поступления влаги с циклонами, имеющими влияние на весь Уральский регион. Следовательно, за счёт дополнительного испарения с сельскохозяйственных угодий антропогенные осадки в верховье р. Самары составили 11 мм (41—30).
В таблице 3 приведены результаты сравнительной оценки количества атмосферных осадков на основных метеостанциях Оренбургской области по периодам экстенсивного (I) и интенсивного (II) землепользования. На всех метеостанциях наблюдалось увеличение атмосферных осадков в период интенсивного землепользования, составившее в среднем 72 мм с отклонениями от 22 мм в г. Оренбурге до 148 мм в пгт Домбаровский, которые необходимо дополнительно исследовать.
За счёт дополнительного испарения с сельскохозяйственных угодий атмосферные осадки в Оренбуржье увеличились на 42 мм (72—30), часть из которых (15 мм) идёт на увеличение речного стока, а часть — вновь на испарение.
Выводы.
1. Сельскохозяйственные угодья, занимая около 90% водосбора Южного Урала, воздействуют на все составляющие водного баланса: запасы влаги в почве, поверхностный и подземный водный сток и атмосферные осадки.
2. Зяблевая пахота увеличивает запасы влаги в почве в 1,5-метровом слое на 51 мм, а в 2-метровом — 71 мм в сравнении с выбитой целиной и стернёй, с соразмерным увеличением суммарного испарения.
3. Дополнительное суммарное испарение влаги с сельскохозяйственных угодий поступает в атмо-
1. Средние многолетние запасы влаги в почвах на угодьях на Покровского опытного участка в Центральной зоне Оренбургской области, мм
Глубина, см До таяния снега После таяния снега Увеличение за время таяния снега
целина пашня лесная полоса целина пашня лесная полоса целина пашня лесная полоса
не выбитая выбитая не выбитая выбитая не выбитая выбитая
0-10 21 23 22 15 26 34 28 39 5 11 6 24
10-20 20 15 23 22 35 28 27 32 15 13 4 10
20-30 19 14 21 24 30 26 25 33 11 12 4 9
30-40 21 16 20 20 29 19 23 33 8 3 3 13
40-50 15 15 17 19 29 16 23 34 14 1 6 15
50-100 81 71 70 83 116 67 105 170 35 -4 35 87
100-150 115 73 73 87 102 66 95 156 13 -7 22 69
150-200 129 76 83 95 118 38 103 159 11 -8 20 64
0-50 96 83 103 100 149 123 126 171 53 40 22 71
0-100 177 154 173 183 265 190 231 341 88 36 58 158
0-150 292 227 246 270 367 256 326 497 75 29 80 227
2. Водный баланс на водосборе р. Самары ^=1340 км2) до створа в пгт Новосергиевка в зависимости от доли пахотных земель и зяби в 1936—2010 гг. по периодам хозяйственной деятельности*
Годы, период в земледелии Осадки, мм Сток, мм Коэффициент стока % пашни на водосборе % зяби на водосборе Испарение, мм Речной сток, мм
за год холодный период
1936-1941, довоенный 308 91 47 0,52 24 12 234 74
1942-1945, военный 390 116 86 0,74 24 5 301 89
1946-1954, послевоенный 331 129 68 0,53 26 12 243 102
1936-1954 гг., I - экстенсивное 336 114 65 0,57 25 10 246 90
землепользов.
1955-1965, подъём целины 388 154 58 0,38 63 20 282 94
1966-1975, переход на зябь 365 133 35 0,25 67 52 293 72
1976-1985, стабильная система 358 130 34 0,26 64 56 268 90
землепользов.
1986-1990, стабильная система 448 161 49 0,30 63 53 350 98
землепользов.
1991-1995, перестройка 415 165 78 0,48 63 36 283 132
экономических отношений
2001-2005, формирование 427 171 86 0,50 49 10 262 165
многоукладн. землепользов.
2006-2010, многоукладное 406 144 61 0,42 52 16 265 141
землепользов.
1955-2010 гг., II - интенсивное 392 148 53 0,36 62 37 287 105
землепользов.
Разность, 11-1 56 34 -12 -0,21 37 27 41 15
Примечание: * — Данные об осадках, поверхностном и речном стоке, коэффициенте стока вычислены по материалам Гидрометслужбы; данные о распаханности водосборов и доли зяби определены по материалам статистических управлений
3. Сравнительная оценка количества атмосферных осадков на основных метеостанциях Оренбургской области по периодам землепользования, мм
1936-1954 гг. (I) 1955-2015 гг. (II) Разность (II—I)
Метеостанция хол. тёпл. хол. тёпл. хол. тёпл.
в год в год в год
пер. пер. пер. пер. пер. пер.
Бугуруслан 432 112 320 456 194 262 24 82 -58
Бузулук 343 92 251 406 166 240 63 74 -11
Домбаровский 196 40 156 344 117 227 148 77 71
Новосергиевка 348 100 248 395 137 258 47 37 10
Оренбург 339 97 242 361 146 215 22 49 -27
Орск 222 58 164 327 128 199 105 70 35
Озёрный (Еленов) 256 46 210 287 99 188 31 53 -22
Первомайск 276 73 203 358 160 198 82 87 -5
Соль-Илецк 277 82 195 339 155 184 62 73 -11
Сорочинск 335 96 239 441 140 301 106 44 62
Шарлык 352 89 263 445 197 248 93 108 -15
Энергетик 227 57 170 306 107 199 79 50 29
Среднее значение 300 78 222 372 146 226 72 68 4
сферу с последующим выпадением в виде дополнительных местных антропогенных атмосферных осадков до 42 мм/год в среднем для Оренбуржья с большими отклонениями по его территории, что требует дополнительных исследований.
4. Антропогенное увеличение атмосферных осадков на водосборах степной зоны Южного Урала способствует многократному использованию возобновляемых водных ресурсов, повышая эффективность использования природных вод и снижая темпы уменьшения речного стока.
Литература
1. Нестеренко Ю.М., Нестеренко М.Ю. Природные воды Южного Урала: формирование и использование. Екатеринбург: УрО РАН, 2016. 244 с.
2. Нестеренко Ю.М. Водная компонента аридных зон: экологическое и хозяйственное значение. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 287 с.
3. Климатологический справочник СССР. Вып. 12. Ч. II. Осадки. Л.: Гидрометеоиздат, 1954. 640 с.
4. Климатологический справочник СССР. Вып. 12. Ч. II. Осадки. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 544 с.
5. Специализированные массивы для климатических исследований. [Электронный ресурс]. URL:// http://aisori.meteo.ru/ climateR. (Дата обращения: 11.05.2017).
6. Климатологический справочник СССР. Вып. 13. Ч. II. Осадки. Л.: Гидрометеоиздат, 1954. 320 с.
