CC BY
39УДК 631.613
DOI: 10.31774/2222-1816-2020-1 -52-73 В. М. Ивонин
Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова -филиал Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ РОЛИ ЛЕСНЫХ ПОЛОС НА СКЛОНАХ
Цель: исследовать противоэрозионную роль лесных полос на склонах. Методы: искусственное дождевание на ландшафтных профилях. Результаты. Определено положительное влияние лесных полос (Ростовская область) на содержание гумуса и другие свойства верхнего слоя черноземов обыкновенных, а также на формирование поверхностного стока и проявление эрозии. При удалении от одиночной лесной полосы (высотой Н, м) вниз по склону содержание гумуса в верхнем слое почвы снижается по линейной зависимости, водно-физические свойства почв (плотность и пористость) изменяются по логарифмическим зависимостям. Это обеспечивает регулирование поверхностного стока возле лесной полосы и с увеличением расстояния от нее (30 Н и более) возрастание стока и эрозии. На участке склона между лесными полосами распределение гумуса, водопрочных агрегатов, плотности и пористости в слое почв 0-20 см характеризуется полиномиальными уравнениями. Это отображает следующую картину: изменение стока характеризуется полиномом третьего порядка, а эрозии почв - четвертого порядка (около приводораздельной и прибалочной лесных полос сток и эрозия отсутствуют, а к центру поля они возрастают). Положительное воздействие приводораздель-ной лесной полосы распространяется на 30-40 Н вниз по склону, прибалочной лесной полосы - на 15-20 Н вверх по склону. На склоне без лесных полос не отмечено существенных изменений содержания гумуса, водопрочных агрегатов и водно-физических свойств. При этом условия формирования поверхностного стока и проявления эрозии почв могут изменяться в связи с эродированностью почвы. Выводы. Противоэрозионное воздействие одиночной лесной полосы вниз по склону постепенно ослабевает по логарифмическим зависимостям, полностью исчезая на расстоянии 30 Н и более. Соседние по склону лесные полосы обеспечивают свое противоэрозионное воздействие на межполосное пространство (60 Н), которое характеризуется полиномиальными уравнениями.
Ключевые слова: лесная полоса; агролесомелиорация; агролесоводство; поверхностный сток; эрозия почв.
V. M. Ivonin
Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute - branch of the Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation
RESEARCH OF EROSION-PREVENTIVE ROLE OF FOREST STRIPS ON SLOPES
Purpose: to investigate the erosion-preventive role of forest strips on the slopes. Methods: artificial sprinkling on landscape profiles. Results: the positive influence of forest belts (Rostov region) on the humus content and other properties of the upper layer of ordinary chernozems, as well as on the formation of surface runoff and the erosion occurrence was de-
termined. When moving off from a single forest strip (height H, m) down the slope, the humus content in the upper soil layer decreases linearly, the water-physical properties of soils (density and porosity) change according to logarithmic dependencies. This ensures the surface runoff regulation near the forest strip and increase of runoff and erosion moving off it (30 H or more). The distribution of humus, water-resistant aggregates, density and porosity in a soil layer of 0-20 cm on a slope section between forest strips is characterized by polynomial equations. This reflects the following picture: a change in runoff is characterized by a third-order polynomial, and soil erosion is a fourth-order one (absence of runoff and erosion near the watershed divide and ravine forest strips and their increase towards the center of the field). The positive impact of the watershed dividing forest strip extends 30-40 H down the slope, and the ravine forest strip 15-20 H up the slope. On the slope without forest strips, no significant changes in humus, water-resistant aggregates, and water-physical properties were noted. In this case the conditions for the surface runoff formation and the soil erosion occurrence may vary due to soil erosion. Conclusions: the erosion-preventive impact of a single forest strip down the slope gradually decreases according to the logarithmic dependences, completely disappearing at a distance of 30 H or more. Forest belts adjacent to the slope provide their erosion-preventive effect on the space between strips (60 H) which is characterized by polynomial equations.
Key words: forest strip; land and forest reclamation; agroforestry; surface runoff; soil erosion.
Введение. Полезащитные лесные полосы составляют основу лесоаг-рарных ландшафтов, что является одним из положений современной концепции защитного лесоразведения (агролесомелиорации) [1]. Эти насаждения, являясь малоизмененными натурными (природоподобными) объектами, обеспечивают возможность создания единой, устойчивой структуры иерархического лесоаграрного ландшафта для экологической адаптации к ней сельскохозяйственного землепользования [2].
Определены особенности эколого-мелиоративного влияния полезащитных насаждений на прилегающие поля [3, 4]. Декларируется, что лесные полосы способствуют снижению поверхностного стока и накоплению почвенной влаги, сокращению эрозии (ветровой и водной) [5].
Лесомелиоративная защита полей позволяет дополнительно накапливать снег, утеплять почву, увеличивать поглощение талых вод на защищенных полях, снижать поверхностный сток [6]. Следует учитывать, что в последнее десятилетие в степной зоне эрозия почв при снеготаянии проявляется слабо (ливневая эрозия преобладает над весенним стоком).
За рубежом термин «агролесомелиорация» отождествлен с более широким понятием «агролесоводство». Системы агролесоводства являются
одним из самых известных средств обеспечения существования и устойчивого развития коренных народов Гималаев (Индия) [7]. В Южной Африке считают, что агролесоводство является беспроигрышным средством смягчения последствий климатических изменений и решения проблем продовольственной безопасности [8]. На севере Китая лесомелиоративные комплексы имеют перспективы повышения продуктивности ландшафтов [9].
В США защитные свойства лесов рассматриваются агролесовод-ством: на равнинах применяют ветрозащитные лесные полосы, а также пастбищезащитные лесные насаждения и др. [10]. При этом фактически не исследована противоэрозионная роль лесных полос на склонах.
Таким образом, для дальнейшего развития теории и практики агролесомелиорации (агролесоводства) необходимо продолжить исследования противоэрозионной роли лесных полос на склонах, обратив внимание на ливневую эрозию почв. При этом перспективным методом исследований является искусственное дождевание [11].
Материалы и методы. Исследовали противоэрозионную роль типичных лесных полос Доно-Донецкого лесомелиоративного района Ростовской области (Усть-Донецкий административный район, бассейн р. Кундрючья). В этих лесных полосах закладывали временные пробные площади с нахождением на каждой из них 200 деревьев преобладающей породы (сплошной перечет). На пробных площадях определяли состав, возраст, средний диаметр и высоту пород, количество стволов, площади сечений и запас древесины. Противоэрозионную роль лесных полос изучали на ландшафтных профилях, направленных перпендикулярно лесным полосам и вдоль прямых склонов (таблицы 1 и 2).
Таблица 1 - Характеристика ландша( >тных профилей
Место отбора образца (пункт дождевания) Характеристика пункта
1 2
Профиль А - участок склона (всходы кукурузы) с одиночной ПВП (Н = 10,9 м), 10Рб, 28 лет
Расстояние 2 Н от лесной полосы вниз по склону Прямой склон, ЮЗЭ, крутизна 1,5°
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(37), 2020 г., [52-73] Продолжение таблицы 1
1 2
То же, 5 Н То же
10 Н То же
15 Н То же
30 Н То же
Профиль В - участок склона между ПВП (Н = 10 м) и ПБП (Н = 10 м). Их ширина 18 м
СРП, 10Рб, 21 год, Н = 10 м Лесной полог, склон ЮЗЭ, 2°50'
Расстояние 2 Н от СРП Черный пар, прямой склон ЮЗЭ
То же 5 Н
10 Н
30 Н (середина поля)
Расстояние 10 Н от ПБП вверх по склону
То же 5 Н
То же 2 Н
ПБП, 5Яс(з) 3Рб 2Гл + Шк(б) + Аб(о), 21 год, Н = 10 м Лесной полог, склон ЮЗЭ, 2°50'
Профиль С - участок склона без лесных полос
Приводораздельный участок склона балок Черный пар, склон СВЭ, крутизна 1,5°
100 м вниз по склону То же 2°
То же 200 м То же 2°40'
То же 300 м То же
То же 400 м То же
То же около 500 м То же
Примечание - СРП - средозащитная полоса; ПВП - приводораздельная лесная полоса; ПБП - прибалочная лесная полоса; Рб - робиния псевдоакация; Гл - гледичия трехколючковая; Яс(з) - ясень зеленый; Шк(б) - шелковица белая; Аб(о) - абрикос обыкновенный; ЮЗЭ - юго-западная экспозиция; СВЭ - северо-восточная экспозиция.
Таблица 2 - Характеристика лесных полос, которые пересекают
ландшафтные п офили
Профиль Состав лесополосы Порода Возраст, лет Среднее Количество стволов, шт./га Запас, м3/га
высота, м диаметр, см
А 10Рб, ед. Аб(о) Рб 28 10,9 9,9 2513 108,0
Аб 28 6,9 7,0 312 3,9
Итого 2825 111,9
В 10Рб, подлесок Кл(т) Рб 21 10,0 9,9 1768 71,0
Кл(т) 21 2,0 - 1023 -
Итого 2791 71,0
В 5Яс(з) 3Рб 2Гл + + Шк(б) + Аб(о) Яс 26 8,0 8,2 1467 34,9
Рб 24 10,0 11,0 463 22,9
Гл 24 8,2 10,6 463 16,8
Шк 24 4,0 6,7 227 2,0
Аб 24 5,0 7,3 23 -
Итого 2643 76,6
Примечание - Кл(т) - клен татарский.
Искусственное дождевание почвы проводили на пунктах учета ландшафтных профилей, пересекающих под прямым углом лесные полосы, по методике, описанной ранее [11]. На пунктах учета размещали площадки дождевания размером 1,43 х 0,7 м.
Применялась мобильная исследовательская капельно-струйная дождевальная установка нашей конструкции. В опытах принимали: интенсивность дождевания 2 мм/мин, средний диаметр капли - 4 мм. Это обеспечивало энергию среднего натурного ливня в регионе интенсивностью 0,7 мм/мин при среднем диаметре капли 2,9 мм/мин.
Во время дождевания определяли интенсивность впитывания осадков, объемы стока, мутность сточной воды, эрозию почв и другие характеристики. Сток учитывали на водоприемном лотке (из листового железа) объемным способом. Необходимое давление воды в установке достигалось с помощью напорного бака и вентиля-регулятора с водомером.
Рядом с площадками дождевания отбирали образцы из слоя почв 0-20 см с ненарушенным строением, которые упаковывали при помощи марли и жидкого парафина (воска) для транспортировки и хранения. В образцах определяли влажность почвы, гранулометрический и микроагрегатный состав, водопрочность агрегатов по Н. М. Бакшееву, количество гумуса, плотность и пористость почв. При этом использовали методики, изложенные в государственном стандарте ГОСТ 12071-20001, а также в работах А. Ф. Вадюниной и др. [12], И. С. Кауричева и др. [13].
По результатам лабораторного определения гранулометрического и микроагрегатного состава рассчитывали следующие показатели:
- фактор дисперсности по Н. А. Качинскому:
К = (Им/Иг )• 100%; (1)
- фактор структурности по Фагелеру:
1 ГОСТ 12071-2000. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов. - Взамен ГОСТ 12071-84; введ. 2001-07-01. - М.: Госстрой России, ЦПП, 2001. - 21 с.
К = [(Иг - Им )/ Иг ] • 100% ; (2)
- гранулометрический показатель структурности по А. Ф. Вадюниной:
Kg = [(Иг + Мп)/(Сп + Кп)] • 100 %; (3)
- степень агрегирования по Бейверу - Роадесу:
Ка = [(Фм - Фг )/Фм ] * 100% . (4)
В соотношениях (1)-(4) принято: Kd - фактор дисперсности; Им и Иг - содержание илистых частиц соответственно при микроагрегатном и гранулометрическом анализе, %; Кс - фактор структурности; Kg - гранулометрический показатель структурности; Мп, С и К- содержание соответственно мелкой, средней и крупной пыли при гранулометрическом анализе, %; Ка - степень агрегирования, %; Фм и Фг - содержание фракций песка (мелкого, среднего, крупного), т. е. частиц диаметром > 0,05 мм, при микроагрегатном и гранулометрическом анализах, %.
Полученные данные обрабатывали с помощью компьютерных программ Microsoft Office Excel. В исследованиях принимала участие Л. В. Власова.
Результаты и обсуждение. Характеристики, зависящие от гранулометрического и микроагрегатного состава слоя почв 0-20 см, по пунктам учета ландшафтных профилей приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Факторы, зависящие от гранулометрического и микроагрегатного состава слоя почв 0-20 см, на ландшафтных профилях
Место отбора образца (пункт учета) Фактор, % Гранулометрический показатель структурности по Вадюниной, % Степень агреги-рованности по Бейверу -Роадесу, % Средняя разрушающая нагрузка на агрегат, кг
дисперсности по Качинскому структурности по Фагелеру
1 2 3 4 5 6
Профиль А - участок склона с одиночной лесной полосой (Н = 10,9 м)
Вниз от лесополосы: 2 Н 10,6 89,4 82,8 77,3 1,55
5 Н 5,6 94,4 78,1 80,4 1,34
10 Н 9,0 91,0 86,4 76,8 1,53
Продолжение таблицы 3
1 2 3 4 5 6
15 Н 12,0 87,9 81,2 70,2 2,20
30 Н 9,3 90,7 79,2 72,1 1,76
Профиль В - участок склона между ПВП (Н = 10 м) и ПБП (Н = 10 м)
Полог СРП 9,1 90,9 93,8 59,5 1,99
Вниз от СРП: 2 Н 7,4 92,6 83,6 61,8 2,36
5 Н 6,8 93,2 97,7 70,8 2,78
10 Н 15,5 84,4 96,6 53,8 3,39
30Н(центр) 4,4 95,6 78,0 62,6 1,96
Вверх от ПБП: 10 Н 6,5 93,5 90,3 40,0 2,05
5 Н 10,3 89,7 83,3 38,1 2,06
2-3 Н 6,0 94,0 87,4 75,1 1,34
Полог ПБП 11,4 88,5 81,7 66,5 1,95
Профиль С - участок склона без лесных полос
Водораздел 10,1 89,8 101,4 69,1 1,69
100 м от водораздела 9,4 90,6 92,9 82,7 2,10
200 м от водораздела 8,4 91,6 89,8 72,0 1,92
300 м от водораздела 8,0 92,0 89,8 71,6 1,40
400 м от водораздела 6,5 93,5 91,8 67,8 1,90
Около 500 м 13,3 86,7 85,2 59,9 1,57
Факторы дисперсности и структурности представляют водоустойчивость микроагрегатов, гранулометрический показатель структурности -соотношение активных механических элементов, обладающих цементирующей способностью и принимающих участие в коагуляции, и пассивных элементов. Степень агрегирования механических элементов влияет на физические свойства: увеличивается пористость; улучшаются другие свойства почв, определяющие их противоэрозионную устойчивость. Разрушающие нагрузки на агрегат может характеризовать сопротивляемость почв водной и ветровой эрозии.
По данным таблицы 3, лесные полосы оказывают слабое положительное влияние на степень агрегированности и гранулометрический показатель структурности. На остальные исследуемые факторы лесные полосы существенно не влияют, что связано с незначительным их воздействием на гранулометрический и микроагрегатный состав верхнего слоя почв прилегающих полевых участков, несмотря на то, что некоторое перераспределение илистых фракций по склону и по профилю почв может наблюдаться при местном стоке.
В то же время лесные полосы оказывают существенное влияние на содержание гумуса, водопрочность агрегатов (по Бакшееву), плотность сложения почвы и пористость верхнего слоя почв (таблица 4).
Таблица 4 - Количество гумуса, водопрочность агрегатов и водно-физические свойства в слое почв 0-20 см на ландшафтных профилях
Место отбора образца (пункт учета) Количество гумуса, % Водопроч-ность агрегатов по Бак-шееву, % Удельная масса, г/см3 Плотность сложения почвы, г/см3 Пористость (пороз-ность), %
Профиль А - участок склона с одиночной лесной полосой (Н = 10,9 м)
Вниз от лесополосы: 2 Н 3,81 35,8 2,40 0,88 63,3
5 Н 3,74 22,5 2,48 0,99 60,1
10 Н 3,87 24,3 2,51 0,97 61,3
15 Н 3,56 51,0 2,42 1,27 47,5
30 Н 3,56 31,4 2,36 1,24 47,4
Профиль В - участок склона между ПВП (Н = 10 м) и Г ЕП (Н = 10 м)
Полог ПВП 4,40 62,8 2,43 0,83 65,8
Вниз от лесополосы: 2 Н 3,87 45,6 2,36 1,20 49,1
5 Н 3,76 50,8 2,41 1,02 57,7
10 Н 3,23 59,7 2,46 1,11 54,9
30 Н (центр поля) 3,46 25,5 2,52 1,17 53,6
Вверх от ПБП: 10 Н 3,76 28,8 2,35 1,28 45,5
5 Н 3,13 42,9 2,45 1,14 53,5
2 Н 3,66 22,9 2,42 1,14 52,9
Полог ПБП 3,87 70,8 2,35 1,09 53,6
Профиль С - участок склона без лесных полос
Водораздел 3,92 25,2 2,41 1,10 54,3
100 м от водораздела 3,23 49,2 2,40 1,07 55,4
200 м от водораздела 4,61 26,8 2,40 1,10 54,2
300 м от водораздела 3,71 37,0 2,40 1,03 57,1
400 м от водораздела 4,03 56,7 2,39 1,03 56,9
Около 500 м вниз по склону 3,50 36,5 2,41 1,07 55,6
Так, в профиле А (склон с одиночной лесной полосой) содержание гумуса в верхнем слое почвы снижается по мере удаления от лесного насаждения, т. е. его воздействие по этому фактору постепенно ослабевает и полностью исчезает.
Иная картина наблюдается на участке поля (ширина около 600 м) между приводораздельной и прибалочной лесными полосами (профиль В).
Здесь максимальное содержание гумуса в слое почвы 0-20 см наблюдается под пологом соседних по склону лесных полос (рисунок 1). В целом
распределение почвенного гумуса на ландшафтных профилях имеет вид: - ландшафтный профиль А:
С = -0,0008 L + 3,854 при R2 = 0,661; ландшафтный профиль В: С = 2Е - 10L4 - 3E - 07L3 + 0,0001L2 - 0,0206L + 4,3705
при R2 = 0,743:
ландшафтный профиль С:
С = -6Е - 06L2 + 0,0029L + 3,6714 при R2 = 0,128.
(5)
(6)
(7)
О 100 200 300 400 500
Расстояние от прпводорасдельной лесной полосы (водораздела), м
Рисунок 1 - Связь содержания гумуса в слое почв 0-20 см с расстоянием вниз по склону от приводораздельной лесной полосы (водораздела)
В уравнениях (5)-(7) принято, что С - содержание гумуса в слое почв 0-20 см, %; L - расстояние вниз по склону от приводораздельной лесной полосы (водораздела), м.
Анализируя уравнения (5)-(7), а также данные рисунка 1, заключаем, что в ландшафтном профиле А изменение содержания гумуса почвы характеризуется линейной зависимостью. По мере удаления от лесной полосы содержание гумуса в почве уменьшается с 3,8 до 3,6 % (центр поля). В ландшафтном профиле В (поле между приводораздельной и прибалоч-
ной лесными полосами) содержание гумуса изменяется по полиномиальной кривой четвертого порядка от 4,4 % (приводораздельная лесная волоса) до 3,5 % (центр поля, 30 Н), а затем увеличивается (по мере приближения к прибалочной лесной полосе) до 3,8 %.
В ландшафтном профиле С (поле без лесных полос) изменение содержания гумуса почвы характеризуется полиномом второго порядка с низкой теснотой связи (Я2 = 0,128). Следовательно, других существенных факторов влияния на содержание гумуса в почве (кроме пестроты почвенного плодородия) не обнаруживается.
Одним из показателей противоэрозионной стойкости почв является содержание в них водопрочных агрегатов. Максимальное значение этого показателя обнаружено под пологом приводораздельной и прибалочной лесных полос ландшафтного профиля В. В ландшафтных профилях А и С каких-либо закономерностей по этому показателю не наблюдается (см. таблицу 4).
Содержание водопрочных агрегатов в слое почвы 0-20 см на пунктах учета ландшафтных профилей (рисунок 2) характеризуют уравнения связи:
- ландшафтный профиль А:
Ж = 0,0149 Ь + 31,009 при Я2 = 0,024; (8)
- ландшафтный профиль В:
Ж = 3Е - 09Ь4 - 1Е - 06Ь3 - 2Е - 05Ь2 - 0,0181Ь + 55,447 при Я2 = 0,629; (9)
- ландшафтный профиль С:
Ж = -0,0004Ь2 + 0,1483Ь + 24,036 при Я2 = 0,142. (10)
В соотношениях (8)-(10) принято, что Ж - содержание водопрочных агрегатов по Бакшееву в слое почв 0-20 см, %.
Анализ соотношений (8)-(10) и данных рисунка 2 показал, что в ландшафтном профиле А изменение содержания водопрочных агрегатов
в верхнем слое почвы характеризуется линейной зависимостью. Однако теснота связи этой зависимости несущественна. Поэтому одиночная при-водораздельная лесная полоса не оказала влияния на данный показатель противоэрозионной стойкости почв на склоне. В ландшафтном профиле В изменение содержания водопрочных агрегатов в верхнем слое почв характеризует полиномиальная кривая четвертого порядка. При этом приво-дораздельная лесная полоса оказывает положительное воздействие на во-допрочность агрегатов вниз по склону на расстоянии более 40 Н, а приба-лочная лесная полоса - вверх по склону на расстоянии около 15 Н. В ландшафтном профиле С изменение содержания водопрочных агрегатов в почве на склоне представлено полиномом второго порядка. Однако это уравнение характеризуется низкой теснотой связи вследствие эродирован-ности почв на открытом склоне.
Расстояние от прпводораздельной лесной полосы (водораздела), м
Рисунок 2 - Связь содержания водопрочных агрегатов в слое почв 0-20 см с расстоянием вниз по склону от приводораздельной лесной полосы (водораздела)
Плотность сложения почвы также характеризует противоэрозион-ную стойкость почвы, так как определяет интенсивность впитывания осадков. Минимальное значение этого показателя (максимальное впитывание) обнаружено около и под пологом лесных полос в ландшафтных
ландшафтный профиль С
ландшафтный профиль А
ландшафтный профиль В
0 100
200 300 400 500 600
профилях А и В (см. таблицу 4). Это свидетельствует о высоком потенциале регулирования стока лесными полосами. Анализ плотности сложения почв в ландшафтных профилях проведем при рассмотрении уравнений связи:
- ландшафтный профиль А:
р = 0,15651п(}) + 0,3438 при Я2 = 0,736; (11)
- ландшафтный профиль В:
р = -1Е - 0,91} - 9Е - 0712 + 0,00121 + 0,9856 при Я2 = 0,444; (12)
ландшафтный профиль С:
р = -1Е - 04} +1,091 при Я = 0,335.
(13)
В соотношениях (11)—(13) принято, что р - плотность слоя почв 0-20 см, г/см3.
Зависимость (11) представлена логарифмическим уравнением, зависимость (12) — полиномом третьего порядка, зависимость (13) — линейным уравнением.
Графическое решение уравнений (11)—(13) приведено на рисунке 3.
Рисунок 3 - Связь плотности сложения почв в слое 0-20 см с расстоянием вниз по склону от приводораздельной лесной полосы (водораздела)
Анализируя представленные уравнения и данные рисунка 3, заключаем, что логарифмическая зависимость для ландшафтного профиля А ха-
рактеризует наименьшее значение плотности верхнего слоя почв около лесной полосы (менее 1 г/см3). По мере удаления вниз по склону от лесной полосы плотность почвы увеличивается, достигая у подошвы склона значения 1,3 г/см3. Это означает, что условия инфильтрации поверхностного стока ухудшаются по мере удаления от приводораздельного насаждения.
Полиномиальная кривая ландшафтного профиля В также характеризует минимум плотности верхнего слоя почвы под пологом и около лесного насаждения. Увеличение этого показателя происходит только до середины межполосного поля. В дальнейшем, по мере приближения к приба-лочной лесной полосе, плотность почвы уменьшается, характеризуя положительное воздействие прибалочной полосы на регулирование стока. Зона такого воздействия лесных полос вниз по склону примерно равна 30 Н, вверх по склону - около 20 Н.
Линейная зависимость ландшафтного профиля С характеризует незначительное варьирование плотности верхнего слоя почвы на отрезке склона от водораздела до подошвы.
Важнейшей характеристикой водно-физических свойств почв является порозность (пористость). На участках склонов с лесными полосами максимальное значение этого показателя наблюдается около и под пологом лесных полос ландшафтных профилей А и В (см. таблицу 4), что свидетельствует о высоком стокорегулирующем потенциале лесохозяйствен-ных урочищ ландшафта. На склоне без лесных полос наблюдается незначительное варьирование этого показателя на пунктах учета ландшафтных профилей. Регрессионный анализ данных таблицы 4 по этому показателю представим в виде:
- ландшафтный профиль А:
п = -5,5171п( V) + 82,247 при Я2 = 0,765; (14)
- ландшафтный профиль В:
п = 1Е - 0,72? - 3Е - 051} - 0,0275} + 58,381 при Я2 = 0,325; (15)
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(37), 2020 г., [52-73] - ландшафтный профиль С:
п = 0,004 Ь + 54,49 при Я2 = 0,362. (16)
В соотношениях (14)-(16) принято, что п - пористость (порозность) слоя почв 0-20 см, %. Графический анализ этих уравнений приведен на рисунке 4.
ландшафтный профиль А
ландшафтный профиль В
ландшафтный профиль С
О 100 200 300 400 500 600
Расстояние от приводорасдельной лесной полосы (водораздела), м
Рисунок 4 - Связь пористости (порозности) слоя почв 0-20 см с расстоянием вниз по склону от приводораздельной лесной полосы (водораздела)
Анализируя данные зависимостей (14)-(16) и рисунка 4, заключаем, что логарифмическая зависимость ландшафтного профиля А характеризует наибольшее значение пористости верхнего слоя почв около лесной полосы (примерно 58 %). По мере удаления от лесной полосы вниз по склону пористость уменьшается, достигая у подошвы склона значения около 47 %. Следовательно, условия инфильтрации местного стока ухудшаются по мере удаления вниз по склону от лесохозяйственного урочища ландшафта.
Полиномиальная зависимость третьего порядка ландшафтного профиля В также характеризует максимум пористости верхнего слоя почвы под пологом и около лесной полосы. Вниз по склону происходит снижение этого показателя до середины межполосного поля (30-35 Н). По мере приближения к прибалочной лесной полосе пористость почвы начинает увеличиваться. Зона положительного воздействия лесных полос на пористость почв вниз по склону примерно равна 35 Н, вверх по склону - около 15 Н.
На склоне без лесных полос (ландшафтный профиль С) наблюдается устойчивое снижение пористости почвы по мере удаления от водораздела к подошве склона, что, возможно, объясняется соответствующими изменениями эродированности почвы.
Таким образом, исследование свойств верхнего слоя почв в ландшафтных профилях показало, что в профиле А по мере удаления от одиночной лесной полосы вниз по склону содержание гумуса в почве линейно уменьшается. При этом одиночная лесная полоса не влияет на содержание водопрочных агрегатов почвы прилегающего участка склона. Одновременно выявлены логарифмические зависимости, показывающие увеличение плотности сложения и уменьшение пористости верхнего слоя почв по мере удаления от одиночной лесной полосы. В профиле В по мере удаления от приводораздельной и приближения к прибалочной лесной полосе содержание гумуса и водопрочных агрегатов в почве вначале уменьшается, а затем увеличивается по полиномиальным кривым (максимальные значения этих показателей зафиксированы под пологом лесных полос).
В профиле С исследуемые характеристики почв по мере удаления от водораздела и приближения к подошве склона представлены зависимостями с незначительной теснотой связи или уравнениями, существенные связи которых определяются эродированностью почвы.
Аналогичным образом на пунктах учета ландшафтных профилей изменяются показатели местного стока и эрозии почв (таблица 5). Таблица 5 - Показатели искусственного дождевания почв
(слой дождя 60 мм, интенсивность дождя 2 мм/мин)
Пункт учета Влажность слоя почвы 0-20 см, % Слой, мм Коэф-фици- ент стока Средняя мутность стока, г/л Модуль стока взвешенных наносов, т/га
стока ин-фильтрации
1 2 3 4 5 6 7
Профиль А - участок склона с одиночной лесной полосой (Н = 10,9 м)
Вниз от лесополосы: 2 Н 19,8 14,8 45,2 0,247 32,12 4,75
5 Н 19,4 12,5 47,5 0,208 20,00 2,50
Продолжение таблицы 5
1 2 3 4 5 6 7
10 Н 19,7 21,9 38,1 0,365 29,08 6,37
15 Н 23,5 24,0 36,0 0,400 86,36 20,73
30 Н 23,2 24,5 35,5 0,408 61,92 15,17
Профиль В - участок склона между ПВП 1 (Н = 10 м) и ПБП (Н = 10 м)
Полог ПВП 22,4 0 60,0 0 0 0
Вниз от СРП: 2 Н 22,3 6,3 53,7 0,105 21,32 1,34
5 Н 24,5 5,8 54,2 0,097 39,88 5,21
10 Н 24,3 7,6 52,4 0,127 53,28 4,05
30 Н (центр поля) 21,2 15,3 44,7 0,255 43,80 6,70
Вверх от ПБП: 10 Н 17,9 9,3 50,7 0,155 174,84 16,26
5 Н 20,9 12,7 47,3 0,212 49,36 6,27
2-3 Н 23,5 5,9 54,1 0,099 14,52 0,86
Полог ПБП 15,8 0 60,0 0 0 0
Профиль С - участок склона без лесных полос
Водораздел 24,0 14,7 45,3 0,245 91,88 13,51
100 м от водораздела 22,3 17,9 42,1 0,298 58,44 10,46
200 м от водораздела 24,5 15,1 44,9 0,252 141,36 21,34
300 м от водораздела 23,2 18,5 41,5 0,308 69,48 12,85
400 м от водораздела 25,5 18,0 42,0 0,300 81,84 14,73
Около 500 м вниз по склону 23,9 15,6 44,4 0,260 92,56 14,44
По данным таблицы 5 изменения коэффициентов стока на пунктах учета ландшафтных профилей можно отобразить в виде:
- ландшафтный профиль А (логарифмическая зависимость):
а = 0,07631п(Ь) - 0,0194 при Я2 = 0,734; (17)
- ландшафтный профиль В (полиномиальная кривая):
а = -3Е - 09Ь + 5Е - 07Ь2 + 0,0009Ь + 0,043 при Я2 = 0,759; (18)
- ландшафтный профиль С (линейное уравнение):
а = 4Е - 05Ь + 0,2674 при Я2 = 0,069. (19)
В уравнениях (17)-(19) принято, что а - коэффициент стока.
Графические решения зависимостей (17)-(19) приведены на рисунке 5.
Зависимости (17), (18) характеризуются высокой теснотой связи, а уравнение (19) - низкой. Это свидетельствует о существенном влиянии лесных полос (в ландшафтных профилях А и В) на сток при искусственном дождевании и об отсутствии существенного влияния на сток каких-либо факторов в ландшафтном профиле С.
Рисунок 5 - Связь коэффициентов стока с расстоянием вниз по склону от приводораздельной лесной полосы (водораздела)
Так, в профиле А сток около одиночной лесной полосы практически отсутствует, но на расстоянии 30 Н и более от лесной полосы коэффициент стока возрастает до 0,42 и более.
В профиле В коэффициент стока около верхней лесной полосы не превышает 0,05, а на расстоянии 35 Н он достигает максимума (0,27). Далее по мере приближения к нижней (прибалочной) лесной полосе коэффициент стока вновь постепенно снижается до 0,04.
Поверхностный сток на пашне обычно связан с эрозией почвы. Поэтому связи коэффициентов стока и показателей эрозии с расстояниями от приводораздельной лесной полосы (водораздела) аналогичны друг другу. Связи модулей стока взвешенных наносов (М, т/га) с расстоянием от приводораздельной лесной полосы (водораздела) отображают равенства:
- ландшафтный профиль А:
М = 5,4211п(}) - 14,636 при Я2 = 0,5238; (20)
- ландшафтный профиль В:
М = -3Е - 09!4 + 3Е - 061} - 0,00081} + 0,0995} + 0,2873
при Я2 = 0,8067;
ландшафтный профиль С:
М = 0,0031 Ь + 13,568 при Я2 = 0,0317. (22)
В графическом виде уравнения (20)-(22) приведены на рисунке 6.
Рисунок 6 - Связь модулей стока взвешенных наносов с расстоянием вниз по склону от приводораздельной лесной полосы (водораздела)
Анализ данных рисунка 6 и зависимостей (20)-(22) показал, что связь уравнения (22) несущественна, а уравнений (20), (21) - тесная.
В профиле А около одиночной лесной полосы эрозия почв отсутствует, но по мере удаления от нее она увеличивается до 16 т/га и более (расстояние > 30 Н). В профиле В эрозия почв отсутствует под пологом и около приводораздельной лесной полосы, по мере удаления от нее на расстояние 45 Н эрозия увеличивается до 14 т/га, но при приближении к при-балочной лесной полосе эрозия вновь отсутствует.
Следовательно, по мере удаления от приводораздельной (одиночной) лесной полосы коэффициент стока и эрозия почв при дождевании увеличиваются по логарифмическим зависимостям; на участке склона между лесными полосами (приводораздельной и прибалочной) коэффициент стока отображается полиномом третьего порядка, а эрозия почв - четвертого порядка.
Выводы. Лесные полосы на склонах не оказывают существенного влияния на противоэрозионные факторы, связанные с гранулометрическим и микроагрегатным составом слоя почв 0-20 см, но положительно влияют
на содержание гумуса, водопрочность агрегатов (по Бакшееву), плотность сложения и пористость верхнего слоя почв, что определяет условия формирования поверхностного стока и проявления эрозии.
По мере удаления от одиночной лесной полосы (высотой Н, м) вниз по склону содержание гумуса в верхнем слое почвы снижается по линейной зависимости. При этом водно-физические свойства почв (плотность и пористость) на расстоянии 30 Н и более изменяются по логарифмическим зависимостям, характеризуя ухудшение условий инфильтрации поверхностного стока.
На участке склона между лесными полосами содержание гумуса и водопрочных агрегатов в верхнем слое почвы характеризуется полиномиальными кривыми четвертого порядка. С удалением от приводораздельной лесной полосы к центру поля содержание их уменьшается, а затем, по мере приближения к прибалочной лесной полосе, - увеличивается.
Плотность и пористость верхнего слоя почв на склоне между лесными полосами изменяются также по полиномиальным зависимостям. При этом положительное воздействие приводораздельной лесной полосы вниз по склону оказывается примерно на 30-40 Н, прибалочной лесной полосы вверх по склону примерно на 15-20 Н. Это создает довольно сложную картину формирования стока и проявления эрозии почв: по мере удаления от приводораздельной и приближения к прибалочной лесной полосе коэффициенты стока характеризуются полиномом третьего порядка, эрозия почв - четвертого порядка (около приводораздельной и прибалочной лесных полос сток и эрозия отсутствуют, при приближении к центру поля они существенно возрастают).
На участке склона без лесных полос при удалении от водораздела вниз по склону не отмечено существенных изменений в содержании гумуса, водопрочных агрегатов, водно-физических свойствах верхнего слоя почв или эти изменения определяются степенью эродированности почв.
Таким образом, противоэрозионное воздействие приводораздельной лесной полосы вниз по склону постепенно ослабевает, полностью исчезая на расстоянии 30 Н и более. Система приводораздельной и прибалочной лесных полос (расстояние между ними 60 Н) обеспечивает стыковку соседних полей воздействия, образуя устойчивую структуру.
Список использованных источников
1 ВНИАЛМИ - лидер агролесомелиоративной науки России: современная концепция защитного лесоразведения / К. Н. Кулик, Н. Н. Дубенок, А. С. Рулев, А. М. Пугачева // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 11: Естественные науки. - 2015. - № 3(13). - С. 108-114.
2 Ivonin, V. M. Theoretical concept of adaptive forest land reclamation of agricultural landscapes / V. M. Ivonin, I. V. Voskoboinikova, E. Yu. Matvienko // International Journal of Civil Engineering and Technology. - 2018. - Vol. 9, № 13. - P. 95-103.
3 Михин, Д. В. Эколого-мелиоративные особенности полезащитных насаждений Воронежской области / Д. В. Михин // Современные проблемы науки и образования [Электронный ресурс]. - 2013. - № 6. - Режим доступа: http:science-education.ru/ru/artic-le/view?id=11575.
4 Медведев, И. Ф. Эколого-мелиоративные особенности развития почвенной системы в зоне влияния лесных полос / И. Ф. Медведев, Д. А. Анисимов, А. А. Бочков // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2013. - № 11. - С. 3-9.
5 Кундиус, В. В. Роль агролесомелиорации в повышении экологической устойчивости и экономической эффективности агроландшафтов / В. В. Кундиус // Природо-обустройство. - 2010. - № 4. - С. 92-95.
6 Петелько, А. И. Влияние основных природных факторов на формирование поверхностного стока талых вод в лесомелиорированных агроландшафтах в лесостепной и степной зонах европейской части России / А. И. Петелько, В. И. Панов // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Естественные науки. -2019. - Т. 43, № 1. - С. 16-29.
7 Parihaar, R. S. Status of an indigenous agroforestry system: A case study in Kumaun Himalaya, India / R. S. Parihaar, K. Bargal, S. S. Bargal // Indian Journal of Agricultural Sciences. - 2015. - № 85(3). - P. 442-447.
8 The potential of using agroforestry as a win-win solution to climate change mitigation and adaptation and meeting food security challenges in Southern Africa / S. Syampun-gani, P. W. Chirwa, F. K. Akinnifesi, O. C. Ajayi // Agric J. - 2010. - № 5. - P. 80-88.
9 Liu, T. X. Agroforestry Systems in Northern Temperate Zone and Productive Perspectives / T. X. Liu, S. W. Zhang // Advanced Materials Research. - 2011. - Vol. 304. -P. 253-258.
10 Agrawal, A. Governing agriculture-forest landscapes to achieve climate change mitigation / A. Agrawal, E. Wollenberg, L. Persha // Global Environmental Change. - 2014, Nov. - Vol. 29. - P. 270-280.
11 Ивонин, В. М. Лесомелиорация ландшафтов / В. М. Ивонин, Н. Д. Пеньков-ский. - Ростов н/Д.: СКНЦ ВШ, 2003. - 151 с.
12 Вадюнина, А. Ф. Методы исследования физических свойств почв: монография / А. Ф. Вадюнина, З. А. Корчагина. - М.: Агропромиздат, 1986. - 416 с.
13 Практикум по почвоведению / И. С. Кауричев, Н. П. Панов, М. В. Стратоно-вич, И. П. Гречин, В. И. Савич, Н. Ф. Ганжара, А. П. Мершин; под ред. И. С. Кауричева. -3-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1980. - 272 с.
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(37), 2020 г., [52-73] References
1 Kulik K.N., Dubenok N.N., Rulev A.S., Pugacheva A.M., 2015. VNIALMI - lider agrolesomeliorativnoy nauki Rossii: sovremennaya kontseptsiya zashchitnogo lesorazvedeni-ya [All-Russian scientific research amelioration institute - the leader of the Russian agrofor-estry science: the modern concept of protective afforestation]. Vestnik Volgogradskogo gosu-darstvennogo universiteta. Seriya 11, Estestvennye nauki [Bull. of Volgograd State University. Series 11: Natural Sciences], no. 3(13), pp. 108-114. (In Russian).
2 Ivonin V.M., Voskoboinikova I.V., Matvienko E.Yu., 2018. Theoretical concept of adaptive forest land reclamation of agricultural landscapes. International Journal of Civil Engineering and Technology, vol. 9, no. 13, pp. 95-103.
3 Mikhin D.V., 2013. Ekologo-meliorativnye osobennosti polezashchitnykh nasa-zhdeniy Voronezhskoy oblasti [Ecological and reclamation features of field protection plantings of Voronezh region]. Sovremennyeproblemy nauki i obrazovaniya [Modern Problems of Science and Education], no. 6, available: http:science-education.ru/ru/article/view?id=11575. (In Russian).
4 Medvedev I.F., Anisimov D.A., Bochkov A.A., 2013. Ekologo-meliorativnye osobennosti razvitiya pochvennoy sistemy v zone vliyaniya lesnykh polos [Ecological and reclamation features of the development of the soil system in the zone of influence of forest strips]. Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta im. N. I. Vavilova [Bull. of Saratov State Agrarian University named after N. I. Vavilov], no. 11, pp. 3-9. (In Russian).
5 Kundius V.V., 2010. Rol' agrolesomelioratsii v povyshenii ekologicheskoy ustoychivosti i ekonomicheskoy effektivnosti agrolandshaftov [The role of agroforestry in increasing environmental sustainability and economic efficiency of agrolandscapes]. Prirodoo-bustroystvo [Environmental Engineering], no. 4, pp. 92-95. (In Russian).
6 Petel'ko A.I., Panov V.I., 2019. Vliyanie osnovnykhprirodnykh faktorov na formiro-vanie poverkhnostnogo stoka talykh vod v lesomeliorirovannykh agrolandshaftakh v lesostep-noy i stepnoy zonakh evropeyskoy chasti Rossii [Influence of the main natural factors on the formation of surface runoff of meltwater in forest-reclaimed agrolandscapes in the forest-steppe and steppe zones of the European part of Russia]. Nauchnye vedomosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye nauki [Bull. of Belgorod State University. Series: Natural Sciences], vol. 43, no. 1, pp. 16-29. (In Russian).
7 Parihaar R.S., Bargal K., Bargal S.S., 2015. Status of an indigenous agroforestry system: A case study in Kumaun Himalaya, India. Indian Journal of Agricultural Sciences, no. 85(3), pp. 442-447.
8 Syampungani S., Chirwa P.W., Akinnifesi F.K., Ajayi O.C., 2010. The potential of using agroforestry as a win-win solution to climate change mitigation and adaptation and meeting food security challenges in Southern Africa. Agric J., no. 5, pp. 80-88.
9 Liu T.X., Zhang S.W., 2011. Agroforestry Systems in Northern Temperate Zone and Productive Perspectives. Advanced Materials Research, vol. 304, pp. 253-258.
10 Agrawal A., Wollenberg E., Persha L., 2014. Governing agriculture-forest landscapes to achieve climate change mitigation. Global Environmental Change, Nov., vol. 29, pp. 270-280.
11 Ivonin V.M., Pen'kovsky N.D., 2003. Lesomelioratsiya landshaftov [Forest Reclamation]. Rostov-on-Don, North Caucasus Scientific Centre of Higher School Publ., 151 p. (In Russian).
12 Vadyunina A.F., Korchagina Z.A., 1986. Metody issledovaniya fizicheskikh svoystv pochv: monografiya [Methods for Studying Physical Properties of Soil: monograph]. Moscow, Agropromizdat Publ., 416 p. (In Russian).
13 Kaurichev I.S., Panov N.P., Stratonovich M.V., Grechin I.P., Savich V.I., Ganzhara
N.F., Mershin A.P., 1980. Praktikum po pochvovedeniu [Workshop on Soil Science]. 3rd ed., rev. and add. Moscow, Kolos Publ., 272 p. (In Russian).
Ивонин Владимир Михайлович
Ученая степень: доктор сельскохозяйственных наук Ученое звание: профессор
Должность: профессор кафедры лесоводства и лесных мелиораций Место работы: Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кор-тунова - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Донской государственный аграрный университет» Адрес организации: ул. Пушкинская, 111, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346428 E-mail: [email protected]
Ivonin Vladimir Mikhaylovich
Degree: Doctor of Agricultural Sciences Title: Professor
Position: Professor of the Chair of Forestry and Forest Melioration
Affiliation: Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute - branch of the Don State Agrarian University
Affiliation address: st. Pushkinskaya, 111, Novocherkassk, Rostov region, Russian Federation, 346428
E-mail: [email protected]
