CC BY
19
УДК 634.266; 634.958 Э01: 10.34736/БЫС.2020.109.2.001.4-12
Ландшафтный лесной кластер в ландшафтно-синергетическом экологическом агроприродопользовании в засушливом степном поясе России
В.И. Панов, к.г.н., с.н.с. - Поволжская агролесомелиоративная опытная станция -
филиал ФНЦ агроэкологии РАН, Самарская область, Российская Федерация
Обобщающая работа, посвящённая раскрытию влияния систем искусственно созданных лесных насаждений, выполняющих защитно-мелиоративные функции. Основные методы исследований - натурные водно-балансовые на опытных стоково-эрозионных стационарах, с комплексом стоковых площадок и опытных водосборов. В степном засушливом поясе при годовой сумме осадков 400-450 мм непродуктивные годовые потери с незащищённых лесными полосами агроценозов достигают 230-280 мм или 50-60%. Лесной кластер обладает высоким тормозящим воздействием на аэрогидродинамические потоки (ветры, метели, суховеи, склоновые водные ручьи и потоки вод поверхностного стока), что снижает их интенсивность и негативное энтропийное действие на почвы и аг-роценозы. Впервые экспериментально выявлены численные величины потерь на ветро-метельную сублимацию и снос-перенос снега за холодный (зимний) период в незащищённом степном агроценозе и в лесозащищённых полях. Лесной кластер увеличивает приходные составляющие весеннего водного баланса (атмосферные осадки, впитывание) и сокращает расходные (сублимацию, физическое испарение, поверхностный сток), локализует и снижает эрозию, сокращает потери влаги на физическое
испарение и транспирацию на 15-20%. Разработана общая схема гидроэрозионной самоорганизации равнинного рельефа, разработаны научные основы современного синергетического эрозиоландшаф-товедения. На модельных агроэколандшафтах рассчитаны перспективные соотношения основных угодий (пашни-степи-леса-воды-поселений) для эталонного балочно-речного бассейнового агроэ-коландшафта. Впервые обращено особое внимание на специфику процессов термодинамики молекул воды в незащищённых и в лесомелиорированных ценозах и ландшафтах при фазовых переходах, вследствие чего оптимальная лесомелиорация ка-тенно-бассейновых агроландшафтов является эффективным средством сбережения высокоценной для здоровья человека лёгкой (протиевой) воды. Необходимо возрождение степного защитного лесоразведения и устойчивого ландшафтного аграрного природопользования.
Ключевые слова: лесной кластер, природопо-добные технологии, агроландшафты, лесные контурно-полосные экосистемы, синергетическое эро-зиоландшафтоведение, эрозия, деградация, засухи, гидрологический режим, фазовые переходы, поверхностный сток
Огромный степной пояс России (площадь около 1370 тыс. км2), включающий в себя географические зоны лесостепи, степи и сухой степи, - главный форпост отечественного продовольствия, житница страны и грандиозная арена интенсивного аграрного природопользования. Это край с обилием тепла, обширных равнинных территорий, высокого почвенного плодородия, с благоприятной средой для жизни человека [1-3]. Главная проблема региона - хронический дефицит влаги, сухость воздуха, суховейные ветры летом и метелистые зимой, частые сильные и катастрофические засухи, развитые процессы водной эрозии [2,4-7]. Всё это снижает продуктивность сельского хозяйства, делает его неустойчивым, приводит к деградации агроэкосистем, падению плодородия почв и их разрушению [1,2]. Большими возможностями в борьбе с негативными процессами и явлениями обладает Докучаевское ландшафтное (природоподобное, ландшафтно-синергетическое, ландшафтно-кластерное) агроприродопользова-ние [8- 10, 12], где важное место отводится лесному кластеру - оптимизированным системам разнообразных лесных контурно-полосных наса-
ждений (наряду и в тесном сочетании с другими кластерами - системами адаптивно-ландшафтного земледелия, противоэрозионной агротехники, ландшафтным обустройством катенно-бассейно-вой территории, лугомелиорацией, противоэро-зионной гидротехники и гидромелиорацией на местном стоке и другие).
Целью работы было показать гидрологические и агроэкологические возможности лесного кластера в ландшафтно-географическом природоподоб-ном [1,7,8,10,12] подходе осуществлять ресурсное преобразование степного засушливого агролан-дшафта в природоподобный высокобиоэкологи-зированный и противоэрозионно-обустроенный агроэколандшафт лесостепного типа.
Объекты и методика исследований. Объектами исследований были агролесоландшафты, созданные в Самарской области. Все опытные лесомелиорированные и контрольные объекты созданы и оборудованы на землях Поволжской АГЛОС - филиал ФГБНУ ФНЦ агроэкологии РАН с кадастровым обозначением 63:17:12010011203002 и в широких водораздельных («Генков-ских») лесополосах, созданных Н.К. Генко [9].
Исследования проводились водно-балансовыми методами на стоковых площадках и опытных водосборах с использованием гидрометрического оборудования для автоматического учета стока. При этом осуществляли широкий круг наблюдений: снегомерные съемки с измерением высоты снежного покрова в ключевых точках, его плотности и влагозапаса; измерение глубины промерзания почвы бурением скважин, выкопкой шурфов и по мерзлотомерам Данилина; определение влажности почвы термостатно-весовым методом; метеорологические показателей и др.
Теоретические исследования базировались на методологических основах, заложенных А.С. Коз-менко и Г.П. Сурмачем. В основу оригинальной теории древнеэрозионного рельфообразования, созданной ими [13,22], были положены новые современные представления и концепции о единой целостной картине мира, системности, его нелинейности, сложности, открытости, иерархичности, самоорганизации, многоуровенности взаимодействия и взаимовлияния систем на уровне вещества - энергии - информации [19]. В дальнейшем на ее основе начата разработка нового направления в современном эрозиоведении [13,12] - синерге-тического эрозиоландшафтоведения [19], базирующаяся на новейших разработках синергетики. Её методологической основой является синергетиче-
ская парадигма, разработанная в 70-80-ых годах XX в. работами лауреата Нобелевской премии И. Пригожина, Г. Хакена, Н. Моисеева, С. Курдюмова, Г. Малинецкого, А. Самарского, С. Капицы и др. [19].
Результаты исследований и их обсуждение. В стабилизации аграрного природопользования на ландшафтном принципе [10] и в противоэрози-онном катенно-бассейновом комплекс [13,22,1,1821] важное значение отводится ландшафтному лесному кластеру - сбалансированной и оптимальной системе естественных и искусственных лесных насаждений, выполняющих определённые защитно-мелиоративные и эколого-ландшафтные функции. Применение синергетической парадигмы и представлений об открытых самоорганизующихся системах к положениям концепции развития древне-эрозионного рельефа А.С. Козменко - Г.П. Сурмача оказалось плодотворным. Оно позволило выйти на принципы самоорганизации равнинного эрозионного рельефа, эволюционной (с включением бифуркационных быстротекущих эрозионных процессов - «режимов с обострением» при нарушении установившихся процессов) самоорганизации единой фрактально-иерархической самоорганизации склоново-бассейновых элементов равнинного эрозионного рельефа суши и классификации самоорганизованной суходольно-речной гидрографической сети (рис.1) [1].
Общая схема
палеоэрозионной эволюционной самоорганизации рельефа равнинной суши, древних катенно-бассейновых суходольно-речных водосборных бассейнов с дренирующей гидрографической сетью и с современными эрозионными образованиями
Самоорганизация обширной равнинной территории суши происходит эволюционно во времени и пространстве (в форме режимов с обострением, по С.П. Курдюмову) как 4D-мерные объекты под воздействием могущественных системообразующих сил земной гравитации и движущейся воды (удары капель, текущие турбулентные потоки) и других факторов экзогенно-эндогенного рельефообразования, эрози-онно-гидрологических процессов, перемещения и седиментации смытого диспергированного грунта в конечных пунктах.
Эрозионный самоорганизованный рельеф равнинной суши представлен на континенте несколькими сопряженными гигантскими или большими водосборными бассейнами крупных, больших и великих рек разной величины и формы (это высший иерархический уровень бас-сейново-речных систем или древних гидро-эрозионных структур), каждый из которых представлен фрактально-разветвлённой целостной системой водосборов рек-притоков более низкого иерархического уровня (3-7 уровней). Каждый из них дренируется единой целостной разветвлённой суходольно-речной гидрографической сетью, питающей водой как саму реку-приток, так и главную реку,
определяя её гидрологический режим.
Каждый крупный самоорганизованный (зрелый, саморазвивающийся) водосборный бассейн возникает в процессах длительной эволюции, включая древние палео-эрозионно-гидрологические процессы, когда живая материя отсутствовала или была недостаточно развита, то есть, когда древняя гидроэрозионная самоорганизация равнинного рельефа происходила при участии только косной (неживой, минеральной) материи. Но диспергированная минеральная материя легкоразрушается водными потоками, и такие самоорганизованные структуры являются неустойчивыми. Саморазвитие природы и материи привело к возникновению разных форм живой материи (микроорганизмы, водоросли, лишайники, мхи, папоротники, деревья, кустарники, хвойные и лиственные). Древесно-кустарниковые и травянистые растительные сообщества самоорганизовались на эрозионном рельефе в природно-зональные растительные сообщества, устойчивые и биопродуктивные биокосные экосистемы: локальные биоценозы и катенно-бассейновые биогеоландшафты, успешно противостоящие разрушающе-эрозионному воздействию водных капель и потоков. В каждой прородно-географической зоне эти самоорганизованные биокосные экогеосистемы, находясь в непрерывно изменяющейся внешней среде, продолжают саморазвиваться, адаптироваться, самосовершенствоваться и самозащищаться, приспосабливаясь к выживанию и эффективному освоению поступающей из внешней среды материи - вещества, энергии, информации.
Древний гидроэрозионный (палеоэрозионный) самоорганизованный (4D-мерный: площадь - высота (глубина вреза) - время) рельеф равнинной территории суши с фрактально разветвлённой упорядоченной иерархической структурой водосборно-гидрографических бассейнов (в направлении увеличения иерархического уровня)
Обязательный облик и основные элементы высотно-пространственно-временной гидроэрозионной самоорганизации любого бассейна на равнинном рельефе суши (земельно-эрозионные фонды, по А.С. Козменко). Поперечное сечение водосбора.
Древнеэрозионные (палеоэрозионные) бассейновые водосборно-гидрографические (или ложбинно-суходольно-речные) самоорганизованные системы
А. Лощинно-суходольное звено:
Б. Речное (долинное) звено:
1. Доложбинные (длина 0,1-0,5 км);
2. Ложбинные (0,5-1,0 км);
3. Лощины (1-3 км);
4. Лощино-суходолы (3-5 км);
5. Суходолы (5-7 км);
6. Балки (переход к рекам) (7-10 км);
7. Крупные разветвлённые балочные системы (7-10 км)
1. Самые малые реки (длина 10-20 км);
2. Малые реки 1 (20-50 км);
3. Малые реки 2 (50-100 км);
4. Средние реки 1 и 2 (100-500 и 500-1000 км);
5. Крупные реки (1000-15000 км);
6. Большие реки (15000-2000 км);
7. Великие реки (длина более 2000 км)
Современные эрозионные плоскостные и линейные разрушения почв и рельефа - склоновые, береговые и донные размывы и овражные разрушения земли ландшафтов:
А. Плоскостная эрозия почв (смыв):
Б. Линейные (глубинные) эрозионные размывы:
1. Несмытые почвы (0 %);
2. Слабо смытые почвы (1-10 %);
3. Средне смытые почвы (10-25 %);
4. Сильно смытые почвы (25-40 %);
5. Весьма сильно смытые почвы (более 40%)
1. Мелкие ручейковые микропромоины;
2. Водомоины (мелкие, средние, крупные);
3. Значительные размывы;
4. Овражные размывы;
5. Овраги-рвы, каньоны, большие системы
Рис.1 - Общая схема палеоэрозионной эволюционной гидроэрозионной самоорганизации рельефа равнинной суши, древних катенно-бассейновых суходольно-речных водосборных бассейнов с дренирующей их гидрографической ложбинно-лощинно-речной сетью и современными эрозионными образованиями (по В.И. Панову).
А.С. Козменко поставил организацию равнинного древне-эрозионного рельефа на фундамент иерархической бассейновой целостной самоорганизации и саморазвития во времени и пространстве (от микроложбин и лощин до гигантских водосборов больших и великих рек как сложных 4D-мерных нелинейных рельефо-ландшафтных систем). Оставался открытым вопрос о соблюдении всеобщего закона сохранения образовавшейся упорядоченной косной (минеральной) рельефной пространственно-временной структуры, образованной из мелкодиспергированных частиц минерального грунта, обладающих слабой устойчивостью противостояния разрушающим силам окружающей среды (ветровых и водных потоков, тепла и др.). С этой сложной проблемой природа успешно справилась, создав выдающееся изобретение - устойчивую самозащищающуюся, самоусложняющуюся, самосовершенствующуюся и
самовоспроизводящуюся живую материю (экосистемы), которая вместе с защищаемой ею неживой материей создала новые устойчивые (естественные наиболее приспособленные к внешней среде) устойчивые биокосные структуры-аттракторы -природные зонально-географические биогеоценозы и биогеоландшафты.
Для степного пояса России типична природно-зональная сравнительно низкорослая травянистая растительность, соответствующая для этой зоны среднемноголетней гидрологической обеспеченностью. Лишь в лесостепи она перемешана с высокорослой древесно-кустарниковой растительностью, островными (колочными) массивами, формирующими своеобразные высотные барьеры и рубежи на пути атмосферных ветровых и водных потоков, которые способствуют существенному снижению скорости этих потоков и развитию эрозии. Они выполняют роль естественных природо-
подобных лесных ландшафтных защитно-мелиоративных систем (кластеров) для всего ценоза или ландшафта. На это явление (защитно-мелиоративный эффект леса в степи) обратил особое внимание В.В. Докучаев и развил его в ландшафтный природоподобный принцип биозащиты и биомелиорации почв и сельскохозяйственных посевов от неблагоприятных природно-экстремальных явлений. Защитно-мелиоративная роль лесных насаждений и их опушек как барьерно-рубежных потокоперехватывающих систем стала основой для выделения их В.В. Докучаевым и А.С. Козменко в качестве эффективного лесного ландшафтного кластера в устойчивом аграрном природопользовании [1,2,13,18,20]. Лесной ландшафтный кластер в агростепных ценозах и ландшафтах действует как многофункциональная природоподобная ландшафтнопреобразующая защитно-мелиорирующая система, уменьшая потоковую проточность степного и незащищённого агроценоза, снижая негативные проявления, улучшая гидрологический, агроэкологический и противоэрозионный режимы защищаемой территории.
В засушливом степном поясе агроландшафт без высотных защитных барьеров в виде лесных полос [1,2] является искусственной агроэкосистемой степного типа, незащищённой и легко проницаемой для аэро- и гидродинамических потоковых систем. Они выносят из такой агросистемы дефицитную влагу и вызывают ускоренные деградаци-онные процессы (эрозия, иссушение, разрушение агросистемы). В степном поясе, при средней годовой сумме атмосферных осадков 400-450 мм и испаряемости 650-850 мм, в таких незащищённых агросистемах степного типа годовая сумма непродуктивных потерь влаги достигает 220-280 мм, или 55-60% [18,20,21].
Это чрезмерно расточительно и недопустимо для стабильности сельского хозяйства. С незащищённого вспаханного с осени поля потери влаги составляют за счет ветро-метельной сублимации снега 40-60 мм, сноса-переноса снега (его переотложение) - 10-20 мм, физического испарения с поверхности почвы от схода снега и до начала полевых работ - 30-45 мм, с начала полевых работ и до смыкания травостоя яровых сельхозкультур - 55-65 мм, эпизодического ливневого стока - 1015 мм, испарения дождевой влаги с поверхности растений и поверхности почвы - 30-40 мм, с оголённой вспаханной почвы за период после уборки урожая и до устойчивого снежного покрова - 60-75 мм [5,6,7,14,17,21]. Пашня в течение 5 месяцев или около 140-150 суток (в апреле-мае и в сентябре-ноябре) находится в разрыхлённом состоянии без растительного покрова и с низким альбедо. Почва при этом сильно нагревается и усиленно теряет влагу. Общие суммарные непродуктивные потери в таком агрогеоценозе за холодный период года (декабрь-март) составляют 65-115 мм (15-19%), за теплый период - 185-240 мм (41-45% годовой нормы осадков). Общие годовые непродуктивные потери
достигают 230-280 мм (50 - 60%) [6,14,17,21]. На продуктивный транспирационный расход (производство биопродукции) остаётся 160-200 мм. Для предотвращения таких огромных непродуктивных потерь дефицитной влаги нужно осознание и целенаправленный переход во всех сферах аграрного природопользования на основополагающие природоподобные ландшафтно-синергетические принципы и технологии [8,10,1,7,19-20]. Методологической его основой является синергетическая парадигма - подход к экологическому и противо-эрозионно обустроенному, эффективному, устойчивому и безопасному аграрному природопользованию с позиций общей картины мира и законов естествознания, открытых сложных самоорганизующихся систем, их эволюции и саморазвития по законам нелинейной термодинамики [19]. В наибольшей степени этим требованиям соответствуют отечественный ландшафтный принцип улучшения и стабилизации сельского хозяйства России В.В. Докучаева [10] и близкий ему комплекс противоэрозионных агролесомелиоративных мероприятий (для водосборов и склоновых катен) А.С. Козменко [13]. По сути, они на 100-120 лет опередили своё время, заложили в свои гениальные разработки защиты и стабилизации сельского хозяйства от засух и эрозионных разрушений синергетическую парадигму самоорганизации естественных зонально-географических систем (в то далёкое время ещё не разработанную). На этих принципах начата разработка основ нового синер-гетического эрозиоландшафтоведения [19].
На протяжении многих лет нами проводится совершенствование и изучение как отдельных природных кластеров природоподобного агро-ландшафтного природопользования, так и целостного природообустройства всей территории землепользования (в пределах отдельного хозяйства, группы хозяйств). Было установлено, что наиболее целесообразным агроэколандшафтное обустройство землепользования надо осуществлять на природном катенно-бассейновом подходе, самоорганизации равнинно-эрозионного рельефа и ландшафтов, в основе которых лежит синергети-ческая парадигма и основные положения синер-гетического эрозиоландшафтоведения [21]. В соответствии с этим вся территория степного пояса Европейской части России представлена иерархией самых разных по площади водосборных бассейнов больших рек Дона, Волги, Урала и Кубани и их притоков. Такие межхозяйственные водосборно-бассейновые агроэколандшафты нами названы межхозяйственными бассейновыми агроэкополи-сами (балочными или речными). Ещё В.В. Докучаев считал необходимым чётко определиться с оптимальным количественным и пространственным размещением и соотношением по элементам рельефа ландшафтных угодий: пашни -степи - леса - воды - поселения. По нашим модельным проработкам, на типичных чернозёмах степи Среднего Поволжья, наиболее удобно проекты земле- и
ландшафтообустройства составлять для крупных балочных и малых речных водосборов (площадью от 5000 до 50000-100000 гектаров) как противоэ-розионных катенно-бассейновых агроэкополисов с наименованием от названия балки, малой реки или поселения. Наиболее приемлемые и перспективные планируемые при этом соотношения основных ландшафтных угодий (пашни - степи -леса - воды - поселения) в суходольно-балочном и малом речном водосборе следующие:
а) в лесостепной зоне 5 - 3 - 2 - 1 - 0,5(0,3) - такое соотношение соответствует «Золотому сечению» с числом Фибоначчи 1,67;
б) в степной зоне 6 - 3(3,5) - 2 - 1 - 0,4(0,2);
в) в сухостепной зоне 3(4) - 5(4) - 2 - 1 - 0,2(0,1) при отсутствии стационарного орошения.
Эти соотношения можно использовать в качестве ориентиров при составлении бассейновых межхозяйственных агроэкополисов; в силу ряда особых обстоятельств эти соотношения могут быть и другими.
Лесной кластер - самый важный, эффективный экологичный ландшафтопреобразующий элемент степного бассейнового ландшафта, функционирующий как биоинженерная барьерно-рубежная защитная система длительного, круглогодичного и многофакторного воздействия, защиты и мелиорации в агростепном ценозе и ландшафте. Больше того, лесной кластер в значительной степени производит преобразования степного, ранее незащищённого агроландшафта степного типа в лесо-защищённый и лесомелиорированный агролесо-ландшафт лесостепного типа (как в естественной ненарушенной лесостепи). Но это уже будет рукотворный (антропогенный) ландшафт лесостепного типа, преобразованный из степного, более подверженный негативным воздействиям потоковых систем среды. В целостном катенно-бассейновом эколандшафте (агроэкополисе), созданном на основе ландшафтно-синергетической методологии, функционирующем как единое целое со многими другими кластерами, эффект преобразования ещё ощутимее за счёт общего синергетического многофакторного эффекта - превращения чисто степных агроландшафтов в агролесоландшафты, обладающие большей экологической ёмкостью использования природных ресурсов, а следовательно, более биопродуктивные, устойчивые, с большим биоразнообразием.
В засушливых влагодефицитных климатических условиях степного пояса России очень важен снегосберегающий и снегомелиоративный эффекты лесного кластера. Зимние осадки играют исключительно важную роль в сельском хозяйстве нашей страны, особенно в урожайности яровых и пропашных культур в годы с весенними и весенне-летними острыми засухами. Зимой, в зависимости от погодных условий и видов ландшафтов, по-разному происходит формирование снежного покрова. В незащищённых степных агроценозах снежный покров подвержен ветро-метельной суб-
лимации, сильному выдуванию, переносу-и переотложению [11,15,17,18,21]. До недавнего времени явлению сублимации не придавалось должного внимания и считалось, что оно незначительно. Однако большие теоретические исследования и моделирование снегопереноса, осуществлённые А.К. Дюниным и В.М. Котляковым [11,20,21], показали на возможности больших неучитываемых потерь в результате зимней ветро-метельной сублимации.
Нами впервые в отечественном и зарубежном снеговедении проведен многолетний (более 50 лет) цикл натурных исследований сублимации снега в различных ландшафтах, позволивший установить конкретные численные величины ве-тро-метельной сублимации снега за холодный (зимний) период в чернозёмной степи Самарского Заволжья, а также в лесомелиорированных агро-ландшафтах с разной степенью лесомелиоративной защиты: 1) незащищённая, продуваемая ветрами и метелями степная пашня; 2) водораздельный лиственный лесной массив, где нет активной ве-тро-метельной сублимации (имеется определённая небольшая потеря на испарение снега, задержанного ветвями крон); 3) два лесозащищённых (лесомелиорированных) агроландшафта с разной шириной межполосного поля: 500 м и 250 м. В результате проведённых исследований впервые для них выявлены численные величины накопившихся влагозапасов в снеге за зиму.
Среднемноголетний влагозапас в снеге водораздельного лиственного лесного массива составляет 135 мм с колебаниями в разные зимы от 120 до 150 мм (с учётом испарения снега, задержанного ветвями крон порядка 5-10%), ветро-метельная сублимация отсутствует.
Среднемноголетний снежный покров, сформировавшийся на водораздельном незащищённом вспаханном поле, имеет влагозапас 65 мм с колебаниями в пределах 55-90 мм. Непродуктивные общие потери на ветро-метельный снос-перенос и сублимацию составляют 65-75 мм, из них на перенос приходится 10-15 мм, на сублимацию - 5560 мм. Лучший результат снегонакопления дают лесополосы, размещённые на оптимально подобранном расстоянии 200-400 м, что подтверждается данными снегомерных съёмок на лесомелио-рированных полях. Так, на лесомелиорированном поле с шириной межполосного пространства 500 м среднемноголетний влагозапас в снеге равен 110 мм, общие непродуктивные потери - 25 мм (запас в лесном массиве 135 мм), а на лесозащищённом поле шириной 250 м влагозапас в снеге - 125 мм, а общие потери всего 5-7 мм. Оптимизированная система контурно-полосных лесонасаждений (лесной кластер) может сохранить к весеннему снеготаянию на лесозащищённом поле 40-75 мм снеговой воды.
Система контурных стокорегулирующих лесных полос с гидроусилением и осушительно-увлажни-тельным дренажом в большой степени выполняет рубежную стокорегулирующую и стокопоглощаю-
щую роль по разделению, регулированию и поглощению водных масс поверхностного стока. Такие контурные лесные полосы, расположенные поперёк склона, также являются противоэрозионными рубежами по перехвату и отложению смытой почвы с вышележащего поля.
Стокопоглощающее действие контурной лесной полосы, определяется её площадью, скоростью инфильтрации талых вод, временем впитывания, то есть это 4D-мерная водопоглощающая система. По исследованиям Г.Ф. Басова, И.П. Сухарева, М.А. Шевченко, Н.М. Горшенина, А.А. Молчанова, Г.П. Сурмача, А.М. Бялого, лесные полосы, расположенные поперёк склона, на чернозёмах поглощают за весну в среднем 380-450 мм [4,17,22]. Прямолинейные лесные полосы, окаймляющие прямоугольные поля, часто идут под углом к горизонталям, и поверхностный сток в них не поступает. Их стокопоглощающая роль сводится к нулю, а весеннее водопоглощение определяется накопленным влагозапасом в снеге в зависимости от аэродинамической конструкции лесной полосы. Наименьший снегозапас характерен для продуваемых лесополос - 75-150 мм, ажурные и комбинированные -180-240 мм. По нашим наблюдениям, контурные стокорегулирующие лесополосы с гидроусилением (валы, канавы, щели) поглощают значительно больше снеговой воды (550-780 мм и более). Такое высокое водопоглощение обеспечит надёжный перехват 20-30 мм слоя поверхностного стока с вышележащего поля, при этом возрастает проти-воэрозионная защищённость всей территории. Но под такими лесополосами происходит ускоренный подъём верхнего горизонта грунтовых вод (формирование частично промывного режима зоны аэрации). Естественное растекание куполов поднятия на глинистых грунтах затруднено (из-за низкой скорости фильтрации), поэтому контурные стокорегулирующие лесополосы с гидроусилением обязательно надо сочетать со специальным осушительно-увлажнительным дренажом на нижележащем поле. В этом случае вода поглощённого поверхностного стока пойдёт на повышение продуктивной влажности почв корнеобитаемого слоя нижележащего по склону поля и повышению его урожайности. Этот дренаж должен стать обязательным мелиоративным элементом любого лесо-мелиорированного агроландшафта.
Водный баланс ландшафтов степного пояса весьма разнообразен [1,18,20]. Элементы водного баланса незащищённой пашни сильно отличаются от элементов пашни под защитой лесных полос. Так, на незащищённом пастбище, расположенном на ветроударном склоне южной экспозиции с уплотнённым верхним слое почвы (объёмная масса 1,35-1,42г/смз), среднемноголетний влаго-запас в снеге вместе с осадками периода снеготаяния составил 118 мм, поверхностный сток - 61 мм (коэффициент стока 0,48), водопоглощение всего - 57 мм. Смыв почвы из-за влияния растительного покрова, армирующего действия корней и уплот-
нённости почвы (монолитности) незначительный
- 0,14 мз/га. Как видно из приведённых данных, водный баланс неблагоприятный: большие потери снега за зиму, талой воды на сток и незначительное поступление воды в почву. На получение биопродукции приходится всего 57 мм.
Водный баланс пахотного поля с зябью (глубиной 23-25 см), расположенного на пологом приво-дораздельном склоне восточной экспозиции, складывается несколько иначе. Среднемноголетний влагозапас в снеге (вместе с осадками периода снеготаяния) составляет 144 мм, средний поверхностный сток - 17 мм (гидрологический эффект зяби), водопоглощение - 127 мм, коэффициент стока
- 0,12 (что в 4 раза меньше, чем на пастбище). Весенний водный баланс незащищённой пашни выглядит несколько лучше, чем пастбища, но всё же велики потери снега за счёт ветров и метелей. Зяблевая вспашка сократила поверхностный сток на 40 мм и повысила влагообеспеченность пашни до 144 мм, что уменьшает угрозы значительной потери урожая от весенних и ранних летних засух.
Коренным образом отличается весенний водный баланс лесомелиорированной пашни (ле-созащищённое поле с шириной межполосного пространства 250 м). Благодаря высокому снегос-берегающему эффекту контурных систем лесных стокорегулирующих полос с гидроусилением (обвалование вдоль нижней опушки) среднемно-голетний влагозапас в снеге вместе с осадками периода снеготаяния на этом поле составил 173 мм. Это большой влагозапас (практически без потерь), на 29-55 мм больше, чем на незащищённых пастбищах и пашне. Поверхностный сток составил здесь 15 мм (коэффициент стока 0,09), а впитывание возросло до 158 мм (на 31 мм больше, чем на незащищённой пашне), смыв составил 0,35 мз/га. Естественно, урожайность лесозащищённого поля на 36% выше, чем незащищённого. Данные, полученные на опытных водосборах, подтверждают высокую гидрологическую и противоэрозионную эффективность лесомелиорированных полей. Но обязательным условием должно быть их контурное (или поперёк склона) размещение на любом рельефе, в том числе и на сравнительно равнинном, крутизной 0,2-0,3°. В лесоаграрных ландшафтах коренным образом меняется гидрологический режим увлажнения почв и грунта всей зоны аэрации, глубина залегания и динамика верхнего горизонта грунтовых вод [4], ход почвообразовательных и локализация эрозионно-гидрологических процессов [18].
В процессе многолетних исследований выявлено несколько абсолютно новых гидрологических, ландшафтно-гидрологических, гидрометеорологических эффектов и явлений, связанных с лесо-аграрными катенно-бассейновыми ландшафтами.
А). Высотный (рельефоповышающий, гидрометеорологический) эффект широких водораздельных лесных полос в сочетании с системами узких полезащитных и стокорегулирующих лесных по-
лос. Его суть заключается в том, что естественный лес или широкая лесная полоса, произрастающие на водоразделе, как бы повышают его абсолютную, топографическую высоту местности на величину, равную высоте деревьев + высоту зоны турбулентных завихрений над вершинами деревьев (эта зона возникает при ударе полифазного ветрового потока (воздух + снег, дождь) о стену (опушку) леса или лесной полосы. Каждые 10 м высоты насаждения повышают годовую сумму атмосферных осадков в данной местности на 12-17 мм. При средней высоте водораздельного лесного насаждения 18-20 м и высоты турбулентного завихрения 8-12 м годовая сумма атмосферных осадков может устойчиво увеличиться на 17-30 мм. Кроме того, в лесомелиорированных ландшафтах часто формируются росы и иней, что также увеличивает годовую сумму атмосферных осадков.
Б). Явление изотопного фракционирования снега при ветрах и метелях при фазовых переходах воды (при сублимации, физическом испарении снега и воды и при конденсации пара в жидкую воду). Зимняя ветро-метельная сублимация и снос-перенос снега с незащищённых полей сопровождается изотопным фракционированием молекул воды, а именно: потерей в первую очередь молекул лёгкой, протиевой воды, в состав которых входят лёгкие изотопы водорода (протий) и кислорода. Снег и талая вода обогащается тяжёлой дей-териевой водой, вредной для всего живого [21]. Лесомелиорированные поля, предохраняя снег от сноса-переноса с ветро-метельной сублимации, сохраняют лёгкую, протиевую воду, которая оздоровляет, ускоряет и активизирует иммунные и ростовые процессы сельхозкультур, благоприятствует получению качественного урожая; она накапливается в продуктах питания, что положительно отражается на здоровье людей. В лесоме-лиорированных агроэколандшафтах происходит оздоровление гидроресурсов и среды обитания людей, улучшение экологической ситуации.
В). В лесогидромелиорированном катенно-бас-сейновом агроэколандшафте все процессы и эффекты, взаимодействуя, создают повышенный синергетический ресурсоповышающий и ресур-соиспользуемый эффект существенно выше, чем каждый отдельно взятый [21]. Предварительные расчёты показывают, что в степном незащищённом агроландшафте из годовой суммы осадков 220-280 мм общим действием всех природных кластеров ландшафтного принципа 50-60% (или 110-170 мм) можно вовлечь в биопродукционный оборот на повышение и стабилизацию урожая на каждом поле. Учитывая мощный синергетиче-ский эффект совместного природопреобразую-щего воздействия всех природных кластеров ландшафтного принципа (улучшение микроклимата, более благоприятный влажностный режим почв, сохранение почвенного плодородия, активный почвообразовательный биохимический и микробиологический процессы, повышенную влажность
воздуха, новые высокопродуктивные сорта, удобрения и средства защиты урожая), можно повысить и стабилизировать продуктивность каждого поля на 11-17 ц/га. Вместе со средней по степному поясу урожайностью 18-23 ц/га эта прибавка обеспечит достойную, отвечающую духу времени, урожайность 35-45 ц/га и больше.
Заключение. Наше современное и широко используемое в степном засушливом поясе аграрное природопользование является чрезмерно техногенным, энерго- и ресурсозатратным, эро-зионно-опасным и засухонеустойчивым. При средней годовой сумме атмосферных осадков 400-450 мм непродуктивные годовые потери их достигают 230-290 мм. Наиболее перспективно Докучаевское природоподобное (синергетиче-ское) ландшафтно-кластерное экологическое и противоэрозионное агроприродопользование на катенно-бассейновой основе с оптимизированным лесным защитно-мелиоративным кластером, адаптивно-влагосберегающим земледелием и комплексными биогидромелиорациями. Приро-дообустройство землепользований агрохозяйств должно осуществляться на научных основах двух новых научных направлений - синергетического катенно-бассейнового эрозиоландшафтоведения и синергетического ландшафтно-кластерного про-тивоэрозионного аграрного природопользования. Обустроенные межхозяйственные балочно-реч-ные катенно-бассейновые агроэколандшафты получили название бассейновых межхозяйственных агроэкополисов (бассейновых агроэколандшаф-тов с оптимизированным соотношением в общем ландшафте - пашни-степи-леса-воды-поселения).
Большую природопреобразующую роль в бассейновом агроэкополисе выполняет лесной защитно-мелиоративный кластер (оптимизированная система разнообразных искусственных и естественных лесных насаждений). Формируется новый лесозащищённый и лесомелиорированный природоподобный агролесоландшафт лесостепного типа - более биопродуктивный, сложный, устойчивый, долговечный, с меньшей энтропией. Лесной кластер в сочетании с современными технологиями адаптивно-ландшафтного земледелия способен вовлечь ежегодно в биопродукционный процесс на каждом защищённом поле дополнительно 110-170 мм продуктивной влаги и создать устойчивую гидрологическую обеспеченность для получения среднего урожая зерна 35-45 ц/га.
Освоение синергетического эколандшафтного противоэрозионного агроприродопользования -это и надёжная противоэрозионная защита почв от деградации и разрушения, возрождение и расцвет сельской провинции, наиболее рациональное, продуктивное и полноценное использование природных ресурсов степного региона. Необходимо возрождать степное защитное лесоразведение, противоэрозионное ландшафтное природообу-стройство земель сельскохозяйственного назначения и переходить на устойчивое ландшафтное
аграрное природопользование.
Литература:
1. Агролесомелиоративное адаптивно-ландшафтное обустройство водосборов /И.С. Кочетков, А.Т. Барабанов, Е.А. Гаршинев, В.И. Панов и др. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 1999. - 84 с.
2. Агролесомелиорация. - М., Лесная промышленность, 1972. - 320 с.
3. Арманд Д.Л. Наука о ландшафте / Д.Л.Арманд. - М.: «Мысль». - 1975. - 287 с.
4. Басов Г.Ф., Грищенко М.Н. Гидрологическая роль лесных полос. - М.: Гослесбумиздат, 1963. - 200 с.
5. Буров Д.И. Научные основы обработки почвы Заволжья. - Куйбышев: Куйбышевское кн. изд-во, 1970. - 204 с.
6. Бялый А.М. Водный режим в севообороте на черноземных почвах Юго-Востока. - Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1971. - 232 с.
7. Высоцкий Г.Н. Водоразделы и увлажнение степей. / Г.Н.Высоцкий. Защитное лесоразведение. Избранные труды. Киев: Наукова думка. - с.168-181.
8. Выступление Президента Российской Федерации В.В.Путина на 70-ой сессии Генеральной Ассамблеи ООН 28 сентября 2015 года.
9. Генко Н.К. Разведение леса и устройство водосборных плотин на удельных степях. - СПб, 1896. - 97 с.
10. Докучаев В.В. Наши степи прежде и теперь (1892).
- М.: Сельхозгиз, 1936. - 117 с.
11. Дюнин А.К. В царстве снега / А.К. Дюнин.- Новосибирск. Изд-во «Наука», Сибирское отделение. - 1983.
- 161 с.
12. Заславский М.Н. Эрозиоведение / М.Н. Заславский.
- М.: Высшая школа, 1983. - 320 с.
13. Козменко А.С. Основы противоэрозионных мелио-раций. - М.: Государственное изд-во сельскохозяйственной литературы, 1954. - 424 с.
14. Константинов А.Р. Испарение в природе. - Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1963. - 592 с.
15. Кулик К.Н., Барабанов А.Т., Панов В.И. Оптимизация снегораспределения и влагообеспеченности в контурных полезащитно-стокорегулирующих лесных полосах и в лесомелиорированных ландшафтах // Доклады Российской академии сельскохозяйстенных наук.
- 2012. - №2. - С. 58-61.
16. Кулик К.Н., Барабанов А.Т, Панов В.И. Катастрофические засухи в степной европейской части России, их дендрохронологическая индикация и связь с цикличностью солнечной активности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Т. 18. -№2(2). - 2016. - С. 438-443.
17. Львович М.И. Человек и воды. Преобразование водного баланса и речного стока / М.И.Львович М.; Гос. изд-во географ. литературы. - 1963. - 568 с.
18. Панов В.И. Преобразование гидрологического режима территории агролесомелиоративно-противоэро-зионными комплексами // Вестник с.-х. науки. - 1979.
- №12. - С. 133-141.
19. Панов В.И. Синергетическое эрозиоландшафтове-дение (теория и практика самоорганизации гидрологических и эрозионных процессов, рельефа и ландшафтов) //Защитное лесоразведение в Российской Федерации: матер. научно-практ. конф. г. Волгоград, 17-19 октября 2011 г. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2011. - С. 231-240.
20. Панов В.И. Кластерно-синергетическое влагосбе-регающее агроприродопользование с лесофитомелио-рацией // Известия Нижневолжского агроуниверситет-ского комплекса. 2012. - № 2(23). - С. 67-73.
21. Панов В.И. Потери атмосферных осадков с незащищенных полей в степном засушливом субрегионе, их существенное снижение и стабилизация гидроресурсного потенциала земледелия созданием лесомелиоративных (лесоаграрных) бассейновых агроэколандшафтов // Изд-во Самарского научн. центра РАН, 2016. - Т. 18 -№2(2). - С. 472-478.
22. Сурмач Г.П. Водная эрозия и борьба с ней. Л.: Гидро-метеоиздат, 1976. - 254 с.
Landscape Forest Cluster in the Landscape-Synergetic Ecological Agro-Nature Management in the Arid Steppe Zone of Russia
V. I. Panov, K.G.N., senior researcher, Volga agroforestry experimental station, Samara region -
affiliate of FSC of Agroecology RAS, Volgograd, Russia
Generalizing work devoted to the disclosure of the artificially created forest plantings systems influence that perform protective and reclamation functions. The main research methods are field water-balance studies at experimental runoff-erosion stationaries, with a complex of ru-noff sites and experimental drainage areas. In the steppe arid zone, with an annual precipitation of 400-450 mm, unproductive annual losses from unprotected forest strips of agrocenoses reach 230-280 mm or 50-60%. The forest cluster has a high inhibitory effect on Aerohydrodynamic flows (winds, snowstorms, dry winds, slope water streams and surface runoff water flows), which reduces their intensity and negative entropic effect on soils and agrocenoses. For the first time, nu-merical values of wind-blizzard losses sublimation and snow drift-transport during the cold (win-ter) period in unprotected steppe agrocenosis and in forest-
protected fields were experimentally revealed. The forest cluster increases the input components of the spring water balance (precipi-tation, absorption) and reduces expenditure (sublimation, physical evaporation, surface runoff), localizes and reduces erosion, reduces moisture loss for physical evaporation and transpiration by 15-20%. A General scheme of flat reliefhydroerosive self-organization has been developed, the scientific basis of modern synergetic erosiolandscape studies has been developed. The model agroecolandscapes are used to calculate the perspective ratios of the main land (arable land-steppe-forest-water-settlements) for the standardgullyriver basin agroecolandscape. For the first time, special attention is paid to the water molecules thermodynamic processesspecifics in unpro-tected and forest-reclaimed cenoses and landscapes during phase transitions, as a result of which-thecatenary-
basin agricultural landscapes optimal reclamation is an effective means for saving the light (protium) water of high value for human health. It is necessary to revive steppe protective afforestation and sustainable landscape agricultural nature management.
Keywords: forest cluster, nature-like technologies, agro-landscapes, forest contour-strick ecosys-tems, synergetic erosion-landscape studies, erosion, degradation, droughts, hydrological regime, phase transitions, surface runoff
Translation of Russian References:
1. Agrolesomeliorativnoe adaptivno-landshaftnoe obustrojstvo vodosborov [Agroforestry adaptive landscape arrangement of catchments] / I.S. Kochetkov, A.T. Barabanov, E.A. Garshinjov, V.I. Panov i dr. [I.S. Kochetkov, A.T. Barabanov, E.A. Garshinev, V.I. Panov, etc.] /- Volgograd: VNIALMI, 1999. - 84s.
2. Agrolesomelioracija [Agroforestry] / Lesnaja promyshlennost [Forest industry] - Moscow: 1972. - 320 p.
3. Armand D.L. Nauka o landshafte [Science of landscape]/ D.L. Armand. - Moscow: «Mysl'» ["Thought"] - 1975. - 287 p.
4. Basov G.F., Grishenko M.N. Gidrologicheskaya rol' lesnyhx polos [Hydrological role of forest strips] - Moscow: Goslesbumizdat, 1963. - 200 p.
5. Burov D.I. Nauchnye osnovy obrabotki pochvy Zavolzh'ya [Scientific bases of soil cultivation in the Volga region] - Kuibyshev: Kuibyscevskoe kn. izdatel'ctvo Kuibyshev publishing house], 1970. - 204 p.
6. Byalyi A.M. Vodnyi rezhim v sevooborote na chernosyomnyhx pochvahx Jugo-Bostoka [Water regime in crop rotation on Chernozem soils of the South-East]-L. Gidrometeorologicheskoe izd-vo [Hydrometeorological publishing house], 1971. - 232 p.
7. Vysockij G.N. Vodorazdely i uvlazhnenie stepej [Watersheds and humidification of the steppes. Protective afforestation. Selected writings] / G.N.Vysockiy. Zachhitnoe lesorazvedenie. Izbrannye Trudy / Kiev: Naukova dumka. -pp. 168-181.
8. Vystuplenie Prezidenta Rossijskoj Federacij V.V.Putina na70-oj sessii General'noj Assamblei OON 28sentyabrya 2015goda [Speech by President of the Russian Federation Vladimir Putin at the 70th session of the UN General Assembly on September 28, 2015]
9. Genko N.K. Razvedenie lesa i ustrojstvo vodosbornyhx plotin na udel'nyhx stepjahx [Cultivation of forest and arrangement of drainage dams on specific steppes] - SPb, 1896. - 97 p.
10. Dokuchaev V.V. Nasci stepi prezhde i teper' (1892) [Our steppes before and now (1892)] - Moscow: sel'hxozgiz.
- 1936. - 117 p.
11. Dyunin A.K. V carstve snega [In the Kingdom of snow] / A.K. Dyunin - Novosibirsk. Izd-vo «Nauka», Sibirskoe otdelenie [Nauka publishing house, Siberian branch], 1983, 161 p.
12. Zaslavskij M.N. Jeroziovedenie [Eroziovedenie] / M.N. Zaslavsky. - Vysshaya shkola - Moscow: [Higher school], 1983. - 320 p.
13. Kozmenko A.S. Osnovy protivojerozionnyhx melioracij [Fundamentals of anti-erosion reclamation]/ A.S. K0zmenko.
- M. Gosudarstvennoe izd-vo sel'skohozyajstvennoi literatury [Kozmenko A. S. - Moscow: State publishing house of agricultural literature] , 1954. - 424 p.
14. Konstantinov A.R. Isparenie v prirode [Evaporation in
nature] / Konstantinov A. R - L., Gidrometeorologicheskoe izd-vo [L.: Hydrometeorological publishing house], 1963. - 592 p.
15. Kulik K.N., Barabanov A.T., Panov V.I. Optimizaciya snegoraspredeleniya i vlagoobespechennosti v konturnyhx polezachhitno-stokoreguliruyuchhihx lesnyhx polosahx i v lesomeliorirovannyhx landshaftahx [Optimization of snow distribution and water availability in contour protective-flow-regulating forest strips and in forest-reclaimed landscapes] // Doklady Rossijskoj akademii sel'skohxozjastvennyhx nauk [Reports of the Russian Academy of agricultural Sciences]. -2012. - no. 2. - Pp. 58-61.
16. Kulik K.N., Barabanov A.T., Panov V.I. Katastroficheskie zasuhxi v stepnoj evropejskoj chasti Rossii, ihx dendrohxronologicheskaja indikacija i sagas' s ciklichnost'ju solnechnoj aktivnosti [Catastrophic droughts in the steppe European part of Russia, their dendrochronological indication and connection with the cyclical nature of solar activity] // Izvestija Samarskogo nauchnogo centra Rossiiskoj akademii nauk [Proceedings of the Samara scientific center of the Russian Academy of Sciences]. 18. -№2(2). - 2016. - Pp. 438-443.
17. L'vovich M.I. Chelovek i vody. Preobrazovanie vodnogo balansa i rechnogo stoka [Man and water. Transformation of water balance and river flow] / M.I. L'vovich. M.; Gos. Izd-vo geograf. Literatury [M. I. Lvovich M.; State publishing house geographer. literatures]. - 1963. - 568 p.
18. Panov V.I. Preobrazovanie gidrologicheskogo rezhima territorii agrolesomeliorativno- protivojerozionnymi komp-leksami [Transformation of the hydrological regime of the territory by agroforestry and anti-erosion complexes] // Vestnik sel.-hx. Nauki [Bulletin of agricultural science], 1979, no. 12, Pp. 133-141.
19. Panov V.I. Sinergeticheskoe jeroziolandshaftovedenie (teorija i praktika samoorganizacii gidrologicheskihx i jerozionnyhx processov, rel'efa i landshaftov [Synergetic erosiolandschaft (theory and practice of self-organization of hydrological and erosive processes, relief and landscapes)] // Zashitnoe lesorazvedenie v Rossiiskoj Federacii: mater. Nauchno-prakt.konf. g. Volgograd. 17-19 oktjabrja 2011 g. [Protective afforestation in the Russian Federation: mater. scientific and practical Conf. Volgograd, October 17-19, 2011]. - Volgograd: VNIALMI, 2011. - Pp. 231-240.
20. Panov V.I. Klasterno-sinergeticheskoe vlago-sberegajushhee agroprirodopol'zovanie s lesofitomelioraciej [Cluster-synergetic water-saving agro-nature management with forest cultivation] // Izvestija Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa [Proceedings of lower Volga agro-University complex]. - 2012. - № 2(23). - Pp. 67-73.
21. Panov V.I. Poteri atmosfernyhx osadkov s nezachhichhjonnyhx polej v stepnom zasuzhlivom sub-regione, ihx sushhestvennoe snizhenie i stabilizacija gidroresursnogo potenciala zemledelija sozdaniem lesomeliorativnyhx (lesoagrarnyhx) bassejnovyhx agro-jekolandzhaftov [Losses of atmospheric rainfall from unprotected fields in the steppe arid sub-region, their significant reduction and stabilization of the hydroresource potential of agriculture by creating forest-reclamation (forest-agrarian) basin agroecolandscapes] // Izd-vo Samarskogo nauchnogo centra RAN [Publishing house of the Samara scientific center of the Russian Academy of Sciences], 2016. - Vol. 18-No. 2 (2). - Pp. 472-478.
22. Surmach G.P. Vodnaja erozija i bor'ba s nej [Water erosion and fight against it]/ L.: Gidrometeoizdat. - 1976. - 254 p.
