CC BY
56
——— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ———
УДК 631.459 (470.6)
ДЕФЛЯЦИЯ ПОЧВ И ОПУСТЫНИВАНИЕ СТЕ ПЕЙ УРАЛО-КАСПИЙСКОГО СУБРЕГИОНА1
© 2013 г. А.И. Климентьев, Е.В. Павлейчик
Институт степи Уральского отделения РАН Россия, 460000 г. Оренбург, ул. Пионерская, д. 11. E-mail: [email protected]
Поступила 11.05.2012
Установленная функциональная взаимосвязь дефляционных потерь почвы и физико-географических условий на ветровых коридорах Урало-Каспийских степей позволила вычленить агроэкологические типы земель с различной интенсивностью почвообразования и дефляционных потерь почвы, соотношение которых предлагается в качестве индекса устойчивости почв к дефляции и опустыниванию.
Ключевые слова: Урало-Каспийский субрегион, ветровой коридор, дефляция, допустимые потери почвы, экологический критерий устойчивости почв, моделирование и прогноз дефляционных процессов.
Общая характеристика района и задачи исследований
Единая степная зона Северной Евразии на протяжении многовековой истории являлась ареной активного передвижения народов, а в XIX и XX веках масштабного земледельческого освоения, что и определило, в условиях сухого аридного климата широкое распространение водной и ветровой эрозии. При тотальном освоении целинных и залежных земель в 1954-1963 гг. в Урало-Каспийском субрегионе, где было распахано в общей сложности свыше 25 млн. га земель, расположенных в степной и сухостепной зонах с равнинным рельефом, процессы ветровой и водной эрозии достигли небывалых масштабов. Развитию дефляции способствовали атмосферные засухи.
Процессы дефляции и опустынивания проявились на почвах и ландшафтах засушливых земель равнин РФ, занимающих площадь около 70 млн. га (Золотокрылин, Черенкова, 2009). Прежде всего произошло снижение или потеря биологической и экономической продуктивности части пахотных земель, экосистемных и биосферных функций почв, а также деградация пастбищ в результате непомерной нагрузки и перевыпаса. Во второй половине XX века отмечено повышение среднегодовой приземной температуры воздуха на 1°С, при довольно слабой тенденции возрастания количества годовых осадков, что привело к дополнительной аридизации земель, которую можно рассматривать как ту или иную стадию опустынивания ландшафтов. Сочетание безлесья с выравненностью рельефа, значительных по площади песчаных арен (частично распаханных, а частично залуженных житняком и заброшенных) с повышенным ветровым режимом и малым количеством осадков в условиях перегруженности ландшафтов избыточным пахотным фондом, привело к потере устойчивости степного землепользования в регионе. По оценкам почвоведов, распаханные целинные почвы потеряли более 25% гумуса, а земледелие до сих пор не устранило порочный принцип экстенсивного развития. Научные разработки по землепользованию в новых условиях сельскохозяйственного производства нуждаются в существенных корректировках и в инновационных технологиях. Рыночные отношения пока не стимулируют участие землепользователей в качестве ответственных действующих лиц в природо- и почвоохранных программах, экологически безопасной практики землепользования. Отсутствие Государственной почвенной службы, законов об охране почв в РФ и жестких «командно-контрольных» предписаний в области охраны почвенного покрова в виде узаконенных стандартов требуемого качества почв, введенных для фермеров в США (Геннадиев и др., 2005), приводит к потерям почвенных и земельных ресурсов.
В регионе особенно сильно пыльные бури проявились в 1965, затем повторились в 1967-1969 гг.,
1 Работа выполнена при поддержке Уральского отделения Российской академии наук (УрО РАН), проект № 09-Т-5-1026.
несколько менее в 1974 и 1984 годах, вызвав гибель свыше 25% площадей посевов зерновых культур, особенно в юго-восточном секторе Русской равнины.
Пыльные бури сопровождались большими переносами мелкозема, засыпанием лесополос, поселков, оврагов и балок и резким падением урожайности сельскохозяйственных культур. Уничтожение естественных ценозов обострило размах пульсационных колебаний температуры и влажности степи, ухудшило водно-физические свойства почвы, снизило их противоэрозионную устойчивость и эколого-биосферные функции.
В связи с этим почвозащитное земледелие остается главным стратегическим направлением в сохранении потенциала почвенных и земельных ресурсов региона, что неразрывно связано с развитием фундаментальных исследований, нацеленных в конечном итоге на разработку и внедрение в производство инновационных подходов (Кирюшин, Иванов и др., 2005; Госсен, 2008; Климентьев и др., 2010). Для выхода на мировой зерновой рынок изучается вопрос создания международного евразийского кластера «Зерно» с площадью черноземных почв в 100 млн. га и с производством до 200 млн. т высококачественного зерна на экспорт (Госсен, 2008).
Материалы настоящих исследований могут быть полезными при разработке стратегии, основанной на двустороннем сотрудничестве, направленной на осуществление мониторинга природно-антропогенных процессов с целью:
- создания сети государственных и межгосударственных стационаров по выявлению, индикации и экологическому мониторингу современных очагов дефляции и опустынивания, обоснования возможных путей их раннего предупреждения и устранения;
- установления влияния приграничного положения на современное состояние ландшафтного, почвенного и биологического разнообразия и создания совместной базы научных данных в целях конструирования экологически устойчивых высокопродуктивных агроландшафтов, разработки ресурсосберегающих экологически безопасных технологий, диверсификации растениеводства и адаптации земле- и природопользования.
Для изучения этих проблем Институтом степи УрО РАН систематически проводятся совместные ландшафтно-экологические исследования в рамках государственных и международных проектов, конкурсных целевых программ и грантов РФФИ.
Методика исследований и база данных
Методикой предусмотрено исследовать закономерности проявления дефляции почв с целью выявления и анализа современного состояния, изменения свойств и функционирования почв и почвенного покрова степей Урало-Каспийского субрегиона (информативные показатели изменения состояния почв).
Цель данной работы заключается в том, чтобы:
- провести почвенный и ландшафтный анализ территории, классификацию ландшафтов, изменение свойств и функционирования почв в них по геохимической сопряженности, климатическим, геоморфологическим и литологическим условиям, выделить экологические типы земель различного функционального назначения;
- рассчитать величину среднемноголетнего переноса и потерь почвы на ключевых ветровых коридорах и определить зависимость дефляционных процессов от элементов погоды;
- определить интенсивность почвообразования, дефляционных потерь почвы в разных экологических типах земель и рассчитать индексы дефляции и опустынивания;
- сформулировать некоторые концептуальные положения по оптимизации структуры ландшафтно-земельного фонда региона и мерам по защите почв от дефляции и опустынивания.
Для характеристики дефляционных процессов использованы данные о ветровом режиме (погоде), опубликованные в Гидрометеорологических ежегодниках, а также многолетние данные (19512009 гг.) метеостанций Оренбургской, Самарской областей и приграничных районов Казахстана.
Для определения интенсивности потерь гумуса в подтипах черноземов и темно-каштановых почв использован временной ряд данных по содержанию гумуса в почвах четырех периодов: первый -целинный (до 1940 г.); второй - 1940-1950 гг.; третий - 1-й этап сплошных крупномасштабных почвенных исследований (1965-1984 гг.); четвертый - 2-й этап исследований (1985-2009 гг.).
Работа проводилась на двух ключевых ветровых коридорах (табл. 1). Подуральский коридор простирается с юго-востока на северо-запад, проходит через Подуральское плато, являющееся южной частью Общесыртовско-Предуральской провинции Восточно-Европейской равнины. Почвенный
покров представлен, в основном, тремя подтипами почв: черноземами обыкновенными, южными и темно-каштановыми с преобладанием среднесуглинистых-супесчаных и песчаных, расположенных на пологих склонах и террасах рек Илека, Малой и Большой Хобды.
Таблица 1. Ландшафтно-экологическая характеристика ветровых коридоров. Table 1. The Landscape ecological description of wind corridors.
Ландшафтная характеристика и ландшафтообразующие факторы Коридоры
I. Подуральский II. Зауральский
Площадь ветровых коридоров, тыс. га 1160.0 1200.0
Распаханность, % 52 50
Лесистость, % <1
Климатические факторы
среднегодовое количество осадков, мм 250-280 230-262
высота снежного покрова, см 25 23
среднемноголетний запас воды в снеге, мм 80 70
сумма положительных 1° воздуха за период с 1>10°С 2770 2600
максимальная 1° воздуха, °С 40 42
абсолютный минимум 1° воздуха, °С за год -44 -47
средняя 1° воздуха в 13 часов за июль, С0 27 26
средняя годовая 1° воздуха, °С 3.9 2.6
число дней с относительной влажностью воздуха
<30% (апрель-октябрь) 72 73
>80% 14 12
среднее число дней с суховеями различной интенсивности за
вегетационный период 35.4 36.8
в т.ч. слабые 27.9 29.3
в т.ч. интенсивные 6.5 6.7
в т.ч. очень интенсивные 1.0 0.8
Число дней с метелью (октябрь-апрель) 26 34
Средняя скорость ветра (год), м/с 4.2 4.6
Число дней с сильным ветром (>15 м/с) 22 19
Геоморфологические факто ры
средняя взвешенная высота 260 250
максимальная абсолютная высота 350
базис эрозии 110 80
Почвообразующие породы, % площади коридора
покровные, делювиальные и древнеаллювиальные карбонатные суглинки 45 35
те же легкого гранулометрического состава 18 25
засоленные глины, пестроцветные коры выветривания, 30 33
в том числе подстилаемые элювием плотных пород 15 17
Агроэкологические типы земель, % площади коридора
черноземы обыкновенные и южные на делювиальных и 28 26
покровных карбонатных суглинках
темно-каштановые маломощные на делювиальных и 26 26
покровных карбонатных суглинках
солонцово-солончаковые комплексы на третичных 23 24
засоленных глинах и корах выветривания
темно-каштановые легкосуглинистые и супесчаные, песчаные 18 20
развеваемые арены
Зауральский коридор проходит с юго-востока через пенепленизированную равнину Урало-Тобольского плато. Почвы - черноземы обыкновенные, южные малогумусные и темно-каштановые слабогумусированные среднесуглинистые - супесчаные и песчаные, расположенные преимущественно на террасах рек Сундука, Кумака и Ори.
Из общей площади коридоров в 2.8 млн. га, площадь дефлированных земель составила по Оренбургской территории 567.9 тыс. га.
Ведущая роль в формировании ландшафтной структуры территории принадлежит литогенным пространственно дифференцирующим и транзитным климатическим факторам, долготной секторности, создаваемой планетарными и региональными механизмами атмосферной циркуляции. Так, вектор континентального (восточносибирского) сектора (ядро континентальности которого расположено в Центральном Казахстане и Средней Азии), направлен с ЮВ на СЗ, проходя через «ворота» низкогорного Урала в пределы Русской равнины, разветвляется по долинам рек Волги и Урала. Его меридионально ориентированные формы адвекции (во времени) сдвигают границы широтной зональности Русской равнины на север или на юг (Коломыц, 2005), формируя своеобразные меридионально ориентированные «трубы» - ветровые макро- и микрокоридоры.
На ландшафтообразование и педогенез сильное влияние оказывают литоэдафические факторы: экзогенез и значительная сохранность реликтовых свойств природы и почв. Исследуемая территория состоит из двух природных подзон первого порядка: типичных черноземных умеренно-засушливых степей с черноземами обыкновенными, засушливых - с черноземами южными и умеренно сухих - с темно-каштановыми почвами. Именно плакоры, на долю которых приходится 30-35% территории, в наименьшей степени уцелели от распашки. Лишь в засушливой южно-черноземной и умеренно-сухой темно-каштановой степи кое-где сохранились целинные участки, занесенные в Красную книгу почв.
Особого внимания заслуживают ландшафты и почвы песчано-эологенных степных и сухостепных арен, приуроченных преимущественно к очагам перевевания древнего песчаного аллювия рек. На бугристых, иногда слабовсхолмленных рыхлопесчаных равнинах, на плакорных позициях, подстилаемых плотными породами, почвенный покров, ввиду слабой энергии почвообразования, едва сформирован и перманентно неустойчив к дефляции и опустыниванию. Дерново-степные псаммоземы мгновенно разрушаются и при перевыпасе скота служат очагами пыльных бурь, тем более при распашке. Единственная защита для них - естественный травостой псаммофитной степи в условиях умеренного выпаса. Площадь очагов рыхлопесчаной эоловой степи с псаммоземами (вместе с черноземами голоценовых террас) составляет около 20% территории.
Ландшафтное и почвенное своеобразие территории дополняется исключительным генетическим разнообразием солонцово-степных комплексов. Значительная доля их имеет литогенную природу и подвергается дефляции, формируясь на пестроцветных корах выветривания, другие - солончаково-полугидроморфную дефляционноопасную природу, которые широко распространены на низменных слабодренированных междуречьях и низких надпойменных террасах речных долин Илека, М.и Б. Хобды и озерных котловин (Шалкар-Ега-Кара, Айке, Шалкар и др.), корректируя к тому же и солевой режим почв прилегающих пространств. На их долю приходится до 25% территории юго-восточного сектора субрегиона.
При изучении дефляции применен множественный регрессионный анализ зависимостей процессов дефляции и элементов погоды, т.е. модели строились на основе системной оценки метеорологических факторов, порождающих дефляцию. Для этого были использованы многолетние (28 лет) данные метеостанций. Дефляционные потери почвы получены на опорных пунктах по ветровой эрозии почв Оренбургского НИИ сельского хозяйства и Республики Казахстан в период максимального проявления пыльных бурь (1951-1978 гг.).
Обсуждение результатов исследований
Развитие пыльных бурь на пахотных угодьях вскрыто работами (Соболев, 1961; Бельгибаев, Долгилевич, 1970; Зайцева, 1970; Бараев, Госсен, 1980; Климентьев и др., 1981; Глазунов, Гендугов, 2001). Изучение этими и другими авторами механизма пыльных бурь в зоне обыкновенных, южных черноземов и темно-каштановых почв показало, что главной движущей силой их являются сильные ветры, отсутствие или недостаточное покрытие почвы растительным покровом и распыленное состояние пахотного слоя.
Работами сотрудников ВНИИЗХ в Северном Казахстане (Зайцева, 1970; Бараев, Госсен, 1980; Шиятый, 1979), на Южном Урале (Хопренинов, 1970; Климентьев и др., 1981; Климентьев, Тихонов,
1994; Климентьев, 1996, 2000 и др.) установлено, что в формировании дефляционных потерь почвы весьма велика роль свойств почвенного покрова, определяющих его дефляционную устойчивость -генетический тип почвы и гранулометрический состав. Ветровая эрозия возникает на пахотных угодьях, если почвы содержат в верхней (0-5 см) части пахотного слоя 50% или более почвенных агрегатов размером <1 мм. Таким образом, ветровая эрозия (дефляция) почв может рассматриваться как сложный многофакторый процесс, имеющий территориальную специфику с разным набором существенных факторов (предикторов) дефляции.
Одним из действенных факторов дефляции является скорость ветра, с увеличением которой в интервале выше критического значения, начинается дефляция почв, которая возрастает по экспоненте. Основная масса эолового материала (до 90%) переносится в припочвенном 10-сантиметровом слое. Для его насыщения необходимо определенное расстояние, которое для почв разного гранулометрического состава будет различным. Установлено (Климентьев, 2000), что для глинистых почв Оренбургской области оно равно 2000 м, для тяжелосуглинистых - 1500 м, среднесуглинистых - 1000 м, легкосуглинистых и супесчаных - 500 и 250 м соответственно. При землеустройстве размеры полей должны проектироваться с учетом особенностей развития дефляции на почвах разного гранулометрического состава.
Увеличение содержания в почве фракции <1 мм сопровождается уменьшением ее комковатости. В связи с этим для начала ветровой эрозии требуется меньшая скорость ветра. В.С. Чепил (СЬерй, 1953) установил, что эродируемость почвы зависит от соотношения в ней структурных агрегатов различного диаметра, но главным образом от 6.4 до 0.42 мм и меньше. Увеличение диаметра частицы требует повышения критической скорости ветра, а при одной и той же скорости потока (больше критической) транспортирующая скорость ветра падает с увеличением размера частиц.
Водная и ветровая эрозия подчиняются общим законам, установленным уравнением критической скорости потока, при которой они возникают на модельной однородной почве (Глазунов, Гендугов, 2001).
При этом важен вопрос о допустимых нормах потерь почвы от дефляции и водной эрозии. Исследование параметров голоценовых черноземов показали (Иванов, Табанакова, 2002), что мощность гумусового горизонта является их «фундаментальной характеристикой» и что нарастание ее в голоцене проходило со скоростью 3-4 см за 100 лет. Моделированием гумусового горизонта определена средняя скорость почвообразования для полноголоценовых черноземов, которая оценивается в 0.13 мм/год (Голеусов, Лисецкий, 2005). Очевидно, что такие темпы естественного воспроизводства почвенного ресурса чаще всего не могут компенсировать потери, обусловленные его хозяйственным использованием. Напрашиваются следующие выводы:
- неизбежна деградация почв агроландшафтов без осуществления специальных противоэрозионных (противодефляционных) мероприятий и агротехники, обеспечивающей «зональный» уровень поступления органического вещества в почву;
- отвод сильно эродированных почв «природе на отдых» под залужение сопряжен с очень нескорым почвовосстановительным эффектом и даже до уровня слабоэродированных они дойдут через 1000 лет «без учета текущей денудации». Таким образом, эти почвы из состава пашни необходимо выводить навечно и их самомелиорация в обозримом времени практически трудно осуществима (Крупеников, 2003; Климентьев и др., 2009).
Исследования связей потерь почвы от дефляции с погодными условиями показало (табл. 2), что метеорологические показатели, описывающие дисперсию потерь почвы, в значительной степени отличаются специфичностью для каждого ландшафтного комплекса, характеризующего не только различным набором погодных элементов, но и долей влияния каждого из них на результирующий признак. Максимальной долей влияния (40.0-50.48%) обладает показатель дефицита влажности воздуха. Важно также подчеркнуть, что хотя количество влияющих эффектов (на входе модели) и невелико, все же удалось детерминировать около 85% разброса значений потерь почвы, т.е. полученные уравнения регрессии достоверно описывают около 85% случаев. Оставшаяся часть дисперсии приходится на ошибки измерения и (или) на не выявленные факторы. По обсуждаемым аргументам, коэффициенты множественной детерминации (г2), полученные в исследованиях, укладываются в пределы от 0.831 до 0.877. Таким образом, модель дефляции выявляет явную недостаточность только интуитивных представлений исследователя о лимитирующих ее факторах, она же включает в себя в формализованном виде новые данные о сопровождающих ее процессах, открывая возможности более целенаправленного поиска технологических решений и прогнозирования. Интерпретация материалов длительных наблюдений позволяет использовать метод
анализа синхронных изменений тренда эолового переноса почвы. Тренды рассчитаны методом гармонических весов (Полевой, 1988). Структура временных тенденций эолового переноса фактически копирует структуру своего основного аргумента, т.е. потерь почвы. В графике дефляционных потерь хорошо просматривается долгопериодный цикл, продолжительностью примерно 10 лет и более, через которые повторяются особенно их большие вспышки (рис.). По-видимому, исходной причиной цикличности пыльных бурь служат космические процессы, поэтому временные ряды данных, ее отражающие, содержат в себе элементы ритмичности (цикличности), присущие любому природному объекту.
Таблица 2. Зависимость дефляционных потерь мелкозема почвы от климатических условий на ветровых коридорах (результирующая регрессионная модель для зависимой переменной). Table 2. The Small soil particles loss under climate conditions of wind corridors (régression resulting model for dependant variable).
Независимая переменная (факторы погоды) Коэффициент регрессии Стандартная ошибка оценки, т/га Уровень значимости Доля влияния фактора
I. Подуральский (1951-1978 гг.)
Y-пересечение -25.98 6.86 0.001 -
(t_5)(t_6)* -0.134 0.04 0.003 9.97
d_6 1.229 0.40 0.006 24.08
(d_6)(d_7)(d_8) 0.003 0.0004 0.000 26.40
h_4 0.315 0.13 0.025 9.36
o_ 11p 0.104 0.024 0.000 5.62
o_7 0.089 0.024 0.001 5.48
t_5 2.447 0.87 0.010 3.42
O_2 0.071 0.03 0.0342 3.37
Для полной регрессии: Среднее по ряду У=6.77 т/га; стандартная ошибка оценки =2.13 т/га; ^=0.877; Б-отношение =16.9
II. Зауральский (1951-1978 гг.)
У-пересечение -64.63 21.80 0.008 -
(d_6)(d_7)(d_8) 0.006 0.001 0.000 28.67
(b_4)+(b_5) 1.243 0.310 0.000 7.21
fa_10p)+(o_ 11p)+(o_12p) -0.169 0.048 0.002 3.96
d_7 -6.668 0.938 0.000 4.22
t_7 8.286 1.392 0.000 18.79
o_7 -0.279 0.059 0.000 13.54
(o_12p)+(o_ l)+(o_2) -0.114 0.036 0.005 7.80
Для полной регрессии: Среднее по ряду У=11.68 т/га; стандартная ошибка оценки =4.10 т/га; г2=0.842; Б-отношение =15.2
Примечание к табл. 2. * - для обозначения независимых переменных в моделях применены сокращенные обозначения: d - дефицит влажности воздуха; t - средняя месячная температура воздуха, °С; tt - произведение средних месячных температур воздуха, °С; h - продолжительность пыльных бурь, часы; b - пыльные бури, дни; О - осадки, мм. Индексы при переменных означают номер месяца в году, а буква "р" при них - номер месяца предшествующего года. Note to table 2. * -following conventional signs are applied for independent variables: d - air humidity deficiency; t - monthly average air temperature, °C; tt - product of monthly average air temperatures, °C; h - dust storm duration, hours; b - dust storms, days; O - precipitation, mm. An index at a variable means the number of the month in year; the letter "p" at the index means the number of the month in the previous year.
В периоды максимума этих циклов (1951 и 1975 гг.) потеря почвы достигала 69% общих 28-летних дефляционных потерь ее в регионе. Чередование нескольких засушливых лет практически определяют среднемноголетние значения интенсивности ветровой эрозии почв.
Биологические потери гумуса и азота в почвах по четырем периодам (временной ряд) и в самих подтипах черноземов региона подробно рассмотрены нами в ряде работ (Климентьев, Тихонов, 1994; Климентьев, Чибилев и др., 2010).
О |........,........,........, ■
1951 1960 1969 1978
Годы
Рис. Динамика показателей дефляционных потерь почвы в Подуральском (а) и Зауральском (б) ветровых коридорах. Условные обозначения: 1 - фактические ряды потерь мелкозема почвы, 2 - их тренды. Fig. The Dynamics of soil deflation indices in Poduralskiy (а) and Zauralskiy (б) wind corridors. Symbols: 1 - actual series of small soil particles loss; 2 - their trends.
Интенсивность потерь гумуса во временном ряду (по периодам) и в пространстве (по подтипам среднемощных, маломощных и эродированных и дефлированных черноземов) выше в эродированных, дефлированных и маломощных почвах (табл. 3), хотя эродированные и дефлированные и часть маломощных вовлечены в пашню позже (1953-1955 гг. при освоении целинных земель).
Сопоставление интенсивности почвообразования (допустимых потерь) и фактических годовых эрозионных и дефляционных потерь в почвах агроэкологических типов земель коридоров свидетельствует о значительном преобладании двух последних. В первую очередь это касается агроэкологических типов очагов дефляции - песков, супесей и легких суглинков имеющих слабую природную ветроустойчивость при отсутствии системы почвозащитных мер и в катастрофической и очень сильной степени подвергающихся дефляции в виде пыльных бурь. Именно эта категория вовлеченных в пашню и разбитых перевыпасом песчаных земель (а их общая площадь в пределах ветровых коридоров только в Оренбургской области - 0.5 млн. га) в значительной мере дестабилизирует дефляционную и экологическую ситуацию в регионе. Величину соотношений дефляционных потерь и естественного восстановления почвы в процессе почвообразования (индекс дефляционной устойчивости) предлагается использовать в качестве критерия оценки степени дефлированности почв и опустынивания агроландшафта (табл. 4).
Таблица 3. Критерии и параметры экологической устойчивости почв Урало-Каспийского субрегиона. Table 3. The Criteria and parameters of resistance of soils for Uralo-Kaspijskiy subregion.
Природно-климатическая Мощ- Содержание Запасы Общие Темпы Темпы Индекс
зона, агроэкологический тип ность гумуса в гумуса в потери дефля- восста- экологи-
земель, преобладающая гумму- пахотном пахотном гумуса ционных новле- ческой
почва сового слое 0-25 см слое 0-25 см (1960- потерь ния устой-
гори- в % за в т/га за 1990 гг.) почвы, почвы, чивости
зонта, разные годы разные годы т/га в т/га в агросис-
см 1960 1990 1960 1990 % т/га год, (Q1) год, (Q2) гем Qi/Q2
Северная степь
Придолинно-плакорные
дренированные между-
речья с черноземами: обыкновенными малогу- 40 7.5 6.73 187 168 0.77 19 4.9 3.09 1.26
мусными карбонатными
и маломощными де-фляционноопасными 37 4.59 3.06 115 96 0.73 25 5.3 2.64 2.01
Увалистые плоско-выпук-
лые пространства с черноземами обыкновенными дефлированными в 25 3.11 2.90 78 72 0.21 6 7.6 1.91 3.98
сочетании с аренами
песков полузакрепленных
Типичная степь
Плакорные равнины и по-
логие склоны с черноземами южными карбонатными 39 5.03 4.38 125 109 0.65 16 3.4 2.54 1.34
малогумусными дефляционноопасными
Плоско-волнистые песча-
ные равнины и террасы с черноземами южными лег- 31 2.89 2.22 72 55 0.67 17 5.7 1.63 3.49
косуглинистыми супесчаны ми сильнодефлированными
Южная степь
Плакорные равнины и по-
логие склоны с темно-каш-
тановыми карбонатно-со- 34 2.69 3.24 92 81 0.45 11 3.6 2.14 1.66
лонцеватыми дефляциион-
ноопасными почвами
Плоско-волнистые песча-
ные равнины и террасы с
темно-каштановыми супесчаными и песчаными силь- 28 2.43 1.58 61 39 0.85 22 4.8 1.06 4.53
нодефлированными
почвами
Используя схему трансформации почв А.С. Керженцева (2001): флуктуация, метаморфоз, эволюция, - слабодефлированные - слабосмытые черноземы можно отнести к флуктуации, поскольку у них еще сохранен гумусовый горизонт, правда, редуцированный и обедненный гумусом. Они уподобляются маломощным черноземам, встречающимся и на плакорах. Среднедефлированные - среднесмытые черноземы в явной мере претерпели метаморфоз, перейдя на
иной таксономический уровень, и лишь с оговорками могут быть оставлены в типе черноземов. Сильносмытые - сильнодефлированные черноземы как предмет эволюции - это совершенно новый тип малосформированных, фрагментарных, слабогумусированных почв, утративших по меньшей мере две трети своих экологических функций - энергетической, гидрологической, газово-атмосферной, биологической и даже информационной, так как в них исчезли многие признаки, отвечающие понятию «почва-память».
Таблица 4. Критерий эрозионно-дефляционной устойчивости почвы агроландшафта. Table 4. The Criteria of agrarian landscape soil resistance to erosion and deflation.
Степень эрозионно-дефляционной устойчивости почвы Индекс эрозионно-дефляционной устойчивости почвы
Устойчивый <1.0
Слабоустойчивый 1.1-2.0
Неустойчивый 2.1-3.0
Экстремальный 3.1-5.0
Катастрофический >5.0
Сопоставление интенсивностей потерь почв и почвообразования свидетельствуют о том, что на значительных площадях пашни достигнуты критические значения потерь почвы, когда без целенаправленной помощи человека естественные темпы почвообразования уже не могут нейтрализовать отрицательные последствия дефляционных процессов.
В целях восстановления и повышения плодородия почв и их экологической устойчивости необходима разработка новой региональной концепции использования земельных ресурсов. Она должна предусмотреть, в первую очередь, программы по разработке и внедрению технических средств и технологий сохранения и повышения плодородия пахотнопригодных почв, а также программы по восстановительной консервации сильнодефлированных и сильноэродированных почв, практически потерявших плодородие и ряд эколого-биосферных функций, создание на их базе резервного фонда и формирование фондов почв разного функционального назначения (лес, ООПТ и т.д.). Большая часть этих земель подлежит залужению многолетними травами и переведению их в сенокосы и пастбища с нормированным использованием. Оставшиеся под пашней дефляционноопасные почвы должны быть использованы в почвозащитном земледелии. При этом под многолетние травы на дефляционноопасных землях должно отводиться не менее 20-40% пашни (Климентьев, 2000).
Критерием рационального использования земель может служить коэффициент эффективности энергии (Р), равный отношению энергии, затраченной на выращивание и уборку культур к энергии полученной сельскохозяйственной продукции (Жученко, 1994).
Попытки повсеместного распространения в России индустриальных технологий не увенчалось успехом не только из-за недостатка технических средств, но и прежде всего вследствие экологических просчетов, выразившихся в уравнительности, расточительности по отношению к энергоресурсам, природоопасности самого подхода (эрозия и дефляция почв, сокращение биоразнообразия, загрязнения ТМ и др.). Высокие затраты материальных средств и труда при использовании низкопродуктивных земель под пашней значительно усилило экологический дисбаланс региона, что привело к нарушению принципов научно обоснованного ведения хозяйства, главный из которых - жить на «проценты с круговорота» вещества в почвах, сохраняя, как «золотой запас», стабильность их динамического равновесия.
Выводы
Урало-Каспийский субрегион характеризуется высоким ветровым режимом, эрозионно-денудационным рельефом, разнообразными по генезису и составу почвообразующими породами, значительная часть которых определяет предрасположенность почв к дефляции. Территория отличается высоким уровнем распаханности сельскохозяйственных угодий (более 56%), значительную часть которых занимает пашня с сильнодефлированными почвами низкого бонитета.
Особенностью климатических условий степного земледелия является выпадение летних осадков при высоком дефиците влажности воздуха (суточная испаряемость составляет около 5 мм), которые редко промачивают почву глубже 10-20 см. Значительное количество ветров различных румбов выдувают влагу из почвы. Зимой из-за метелевых ветров происходит неравномерное снегоотложение, а активный ветровой режим испаряет часть снега в атмосферу. Все эти и другие факторы создают на дефляционноопасных почвах нестабильные дефлируемые ландшафты, и воспроизводство плодородия почв при существующей стратегии использования является высокозатратным и малоэффективным.
В сложившейся ситуации целенаправленное конструирование высокопродуктивных и экологически устойчивых агроландшафтов должно базироваться на экономически реальных, доступных и экологически эффективных мероприятиях.
Изучение процессов дефляции почв на ключевых ветровых коридорах показало функциональную зависимость потерь мелкозема почвы от физико-географических и антропогенных условий. Основная роль в формировании дефляционных процессов в коридорах принадлежит дефициту влажности воздуха в июне и августе (38.2-47.0% соответственно), осадкам предшествующего года (21.3%), продолжительности пыльных бурь в апреле и августе (9.5-10.8%) и числу дней с пыльными бурями (5.9-8.1%), доля влияния которых составила до 85% при коэффициентах множественной детерминации равных 0.70-0.80.
Ландшафтный анализ территорий коридоров позволил выделить агроэкологические типы земель с различными темпами почвообразования и дефляционных потерь почвы. На сильно дефлированных почвах применение сложных почвозащитных модулей не устраняет высокие потери, которые в 2-3 раза превышают темпы восстановления почв. Это свидетельствует о крайней дефляционно-экологической нестабильности сильнодефлированных супесчаных и песчаных почв.
В целях оптимизации экологической обстановки предлагается вывести из пахотного фонда все площади сильнодефлированных почв (черноземы и темно-каштановые легкого гранулометрического состава (песчаные, супесчаные), почвы на корах выветривания, комплексы солонцов 25-50% и более, щебенчато-каменистые почвы) с использованием их под сенокосы, пастбища и для формирования «экологического щита», необходимых для сохранения биологического разнообразия, повышения устойчивости и продуктивности ландшафтов. Величину соотношений дефляционных потерь и естественного восстановления почвы в процессе почвообразования (индекс дефляционной устойчивости) предлагается использовать в качестве критерия оценки степени дефлированности почв и опустынивания агроландшафта.
Весь комплекс мониторинга, включая экологический диагноз и назначение защитных мер, должен проводиться в пределах ветровых коридоров (водосборных бассейнов) как целостных элементарных природно-экономических единиц. При этом необходима координация усилий, материальных затрат государств и разработка обязательных условий для реализации профилактических, оперативных и чрезвычайных мер, назначенных учеными и специалистами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бараев А.И., Госсен Э.Ф. 1980. Ветровая эрозия и борьба с ней в азиатской части СССР // Эрозия почв и борьба с ней. М.: Колос. С. 7-47.
Бельгибаев М.Е., Долгилевич М.И. 1970. О предельно допустимой величине эрозии почв / Труды ВНИААМИ. Т. I (61). C. 239-258.
Геннадиев А.Н., Таргульян В.О., Соколов Т.А., Шеин Е.В. 2005. Почвоведение и почвоохранная политика за
рубежом // Почвоведение. № 8. С. 924-929. Глазунов Г.П., Гендугов В.М. 2001. Механизмы ветровой эрозии почв // Почвоведение. № 6. С. 741-755. Голеусов П.В., Лисецкий Ф.Н. 2005. Воспроизводство почв в антропогенных ландшафтах лесостепи. Белгород:
Изд-во Белгород. гос. Университета. 232 с. Госсен Э.Ф. 2008. Почвозащитное земледелие на хлебной ниве Евразии (к 100-летию А.И. Бараева) // Материалы международной конференции «Ресурсосбережение и диверсификация как новый этап развития идей А.И. Бараева о почвозащитном земледелии». Астана-Шортанды. С. 63-65. Жученко А.А. 1994. Стратегия адаптивной интенсификации сельского хозяйства: концепция. РАСХН. Фонд
имени А.Т. Болотова. Пущино: отделение НТИ Пущинского научного центра РАН. 148 с. Зайцева А.А. 1970. Борьба с ветровой эрозией почв. Алма-Ата: Кайнар. 152 с.
Золотокрылин А.Н., Черенкова Е.А. 2009. Площадь засушливых земель равнин России // Аридные экосистемы. Т. 15. № 1 (37). С. 5-12.
Иванов И.В., Табанакова Е.Д. 2002. Мощность гумусового горизонта - фундаментальная характеристика
черноземов; причины и скорости ее изменений во времени // Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям. М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН. С. 239. Керженцев А. С. 2001. Флуктуации, метаморфозы и эволюция почв // Экология и почвы: Избранные лекции X
Всероссийской школы (октябрь 2001 г.). Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН. Т. IV. С. 18-24. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий. Методическое руководство МСХ РФ, РАСХН. 2005 / Ред. В.И. Кирюшин, А. Л. Иванов. М.: Изд-во ФГНУ «Росинформагротех». 784 с. Климентьев А.И. 1996. Изменение содержания гумуса в черноземах Оренбуржья в последокучаевский период //
Проблемы степного природопользования. Оренбург. Изд-во «Печатный дом ДИМУР». С. 18-28. Климентьев А.И. 2000. Почвы степного Зауралья: ландшафтно-генетическая и экологическая оценка.
Екатеринбург: Изд-во УрО РАН. 436 с. Климентьев А.И., Хопренинов В.Д., Степаненков П.В. 1981. К гумусовому режиму темно-каштановых почв Оренбургского Зауралья // Агротехника сельскохозяйственных культур и повышение эффективности земледелия. Уфа.: Уфимский полиграфический комбинат Госиздата Баш АССР. С. 19-24 Климентьев А.И., Тихонов В.Е. 1994. Оценка эрозионных потерь органического вещества в почвах степной
зоны Южного Урала // Почвоведение. № 3. С. 117-122. Климентьев А.И., Ложкин И.В., Павлейчик Е.В. 2009. Эрозионная деградация черноземов Южного Урала //
Вестник Оренбургского гос.университета. № 10. С. 210-274. Климентьев А.И., Чибилёв А.А., Блохин Е.В., Грошев И.В. 2001. Красная книга почв Оренбургской области.
Екатеринбург: Изд-во УрО РАН. 296 с. Климентьев А.И., Чибилев А.А., Нестеренко Ю.М., Ложкин И.В., Поляков Д.Г. 2010. Водная эрозия в степях
Южного Урала // Водные ресурсы. Т. 37. № 1. С. 1-12. Коломыц Э.Г. 2005. Бореальный экотон и географическая зональность // Атлас-монография. М.: Наука. 392 с. Крупеников И.А. 2003. Эрозионная деградация черноземов и единственный способ их реставрации // Материалы
IV Всероссийской конференции. Пущино. С. 210-215. Полевой А.Н. 1988. Прикладное моделирование и прогнозирование продуктивности посевов. Л.:
Гидрометеоиздат. 319 с. Соболев С.С. 1961. Защита почв от эрозии. М.: Сельхозгиз. 231 с.
Хопренинов В.Д. 1970. Почвозащитная обработка темно-каштановых почв восточных районов Оренбургской области (на примере совхоза им.Х1Х партсъезда Светлинского района). Автореф. дис... к. с.-х.наук. Оренбург. 26 с.
Шиятый Е.И. 1979. Методы оценки ветроустойчивости поверхности почвы. Защита почв от ветровой эрозии.
Алма-Ата: Кайнар. С. 29-36. Chepil W.S. 1953. Factors that influence clod structure and eroclibility of Soil by Wind. J. Soil texture // Soil Science. Vol. 75. № 6. P. 473-484.
SOIL DEFLATION AND THE STEPPE DESERTIFICATION IN THE URALO-KASPIJSKIY SUBREGION2
© 2013. A.I. Klimentiev, E.V. Pavleychik
Institute of Steppe of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences Russia, 460000 Orenburg, Pionerskaya str., 11. E-mail: [email protected]
It is proved that the soil deflation transfer and soil loss in wind corridors in steppe and dry steppe zones of Eurasia are the functions of following physical geographical and anthropogenic conditions: the air humidity deficiency, the average monthly air temperature, the dust storm length (in hours), and the number of days with dust storms. Up to 70-80% total influence fall to the share of these factors. The landscape ecological analysis of soil forming, transfer and loss intensities in key corridors is the grounds of the determination of agroecological land types by value of these indices in soils. The ratios of these indices are proposed to be ecological criteria of the soil arability, of the soil resistance to deflation, and of the landscape resistance to desertification. The obtained results confirm that there is the critical value of soil loss in substantial arable areas, and that the natural soil forming rate is unable to equilibrate erosion and deflation processes and their consequences without dedicated human measurements.
Keywords: deflation soil loss, soil deflation factors, mathematical simulation, agroecological land types, soil forming intensity, agrarian landscapes optimization and soil arability criteria, prognosis.
2 Is supported by the Urals branch of RAS, project 09-T-5-1026. АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2013, том 19, № 2 (55)
