CC BY
31
DOI: 10.24411/0235-2451-2019-11103
УДК630*116.64
Новый подход к методологии проектирования лесогидромелиоративного комплекса в условиях ЦЧР
И. В. ПОДЛЕСНЫХ, Т. Я. ЗАРУДНАЯ, Ю. А. СОЛОВЬЕВА
Всероссийский научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии, Курский федеральный аграрный научный центр, ул. Карла Маркса, 70 б, Курск, 305021, Российская Федерация
Исследования проводили с целью разработки нового подхода к методологии проектирования лесогидромелиоративного комплекса в условиях Центрально-Черноземного района с использованием геоинформационных систем (ГИС) и обоснованием состава пород деревьев в проектируемых лесополосах. Разработанный подход базируется на известных методах расчета и проектирования размещения лесных полос в агроландшафте, но имеет ряд принципиальных особенностей в расчетах с использованием средств ГИС для участков водосборов и совокупностей водосборов в целом с набором индивидуальных показателей рельефа и характеристик стока в каждой определенной точке поверхности, а не для отдельных рабочих участков с осредненными показателями. Еще одна особенность нового подхода - использование ГИС не только на этапе визуализации результатов расчета, но и в ходе их проведения. Это позволяет более точно определять местоположение лесополос с учетом характеристик стока и рельефа. Благодаря автоматизации таких расчетов, время проектирования сокращается в 2,5...3,0 раза. Обоснованный для ландшафтно-кпиматическихусловий ЦЧР состав пород деревьев для лесополос позволяет добиться стокорегулирующей и противоэрозионной функции насаждений в кратчайшие после высадки сроки. В опыте по контурно-мелиоративному земледелию в Курской области лесогидромелиоративный комплекс, включающий узкую лесную полосу с канавой в междурядье и валом по нижней опушке, уже на второй год способствовал сокращению слоя стока более чем в 2 раза. При этом смыв почвы снижался с 5,0 до 0,8 т/га.
Ключевые слова: методология, агроландшафт, эрозия почв, противоэрозионная организация территории, лесная полоса, гидротехническиесооружения.
Для цитирования: Подпесных И. В., Зарудная Т. Я., Соловьева Ю. А. Новый подход к методологии проектирования лесогидромелиоративного комплекса в условиях ЦЧР// Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 11. С. 14-17. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-11103.
NewApproach tothe Designing Methodology of Forest Hydro-Ameliorative Complex under the Conditions of the Central Chernozem Region
I. V. Podlesnykh, T. Ya. Zarudnaya, Yu. A. Solov'eva
All-Russian Research Institute of Farming and Soil Protection from Erosion, Kursk Federal Agrarian Scientific Center, ul. Karla Marksa, 70 b, Kursk, 305021, Russian Federation
Abstract. The research aimed to develop a new approach to the designing methodology of a forest hydro-ameliorative complex under conditions of the Central Chernozem region using geographic information systems (GIS) and substantiation of the arboreal species in the designed forest belts. The developed approach is based on the known methods of calculation and designing of forest belts placement in an agricultural landscape, but has a number of fundamental features in the calculation using GIS tools for catchment areas and catchment complexes as a whole, with a set of individual relief indicators and flow characteristics at each specific point of the surface, and not for individual working areas with averaged indicators. Another feature of the new approach is the use of GIS not only at the stage of visualization of the calculation results but also at the calculation stage itself. It allows quite accurately calculate the location of forest belts, taking into account the characteristics of the flow and relief. Due to the automation of calculations, the design time reduced 2.5-3.0 times. The composition of tree species for growing forest belts justified for landscapes and climatic conditions of the Central Chernozem region allows achieving a flow-regulating and anti-erosion function of plantations in the shortest possible time after their planting. According to the data obtained in the experiment on the contour-ameliorative agriculture in the Kursk region, the forest hydro-ameliorative complex, including a narrow forest belt with a ditch in the interrow space and a bank along the lower forest edge, already in the second year of functioning contributed to the reduction of the runoff layer more than 2 times. At the same time, there was a decrease in soil washout from 5.0to0.8 t/ha. Keywords: methodology; agrolandscape; soil erosion; anti-erosion organization of the territory; forest belt; hydraulic structures.
Author Details: I. V. Podlesnykh, Cand. Sc. (Agr.), head of laboratory (e-mail: podlesnich_igor@rambler.ru); T.Ya. Zarudnaya,Cand. Sc. (Agr.), senior research fellow (e-mail: vnizem@kursknet.ru);Yu. A. Solov'eva, Cand. Sc. (Geogr.), senior research fellow (e-mail: iuliana.solovieva@yandex.ru).
For citation: Podlesnykh I. V., Zarudnaya T.Ya., Solov'evaYu. A. A. NewApproach tothe Designing Methodology of Forest Hydro-Ameliorative Complex under the Conditions of the Central Chernozem Region. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2019. Vol. 33. No. 11. Pp. 14-17 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2019-11103.
аеградация агроландшафтов и земельных ресурсов - большая угроза для Российской Федерации. Современные природно-ственные условия ЦЧР характеризуются значительной сельскохозяйственной освоенностью (78...82 %) и распаханностью (62 %) земель в сочетании с невысокой облесенностью (около 9 %). Дисбаланс в соотношении угодий в совокупности с особенностями рельефа, свойствами почв и спецификой климата, обусловливающими развитие эрозионных процессов, привел к тому, что на пахотных угодьях в течении XX и XXI века значительно уменьшилась
мощность гумусово-аккумулятивного горизонта [1], около 36 % общей площади сельскохозяйственных угодий ЦЧР эрозионноопасны, 22 % эродированы и дефлированы [2].
Лесомелиоративные мероприятия около 100 лет служат одним из наиболее эффективных приемов защиты почв от эрозии. Лесные полосы обеспечивают благоприятный микроклимат для формированияуро-жая возделываемых культур, способствуют прогрессивному накоплению органического углерода в слое почвы 0..,10см [3, 4, 5] и при грамотном проектировании в сочетании с гидротехническими сооружениями
способны значительно снижать эрозионный эффект поверхностного стока и переводить его во внутрипоч-венный. Снижение эрозионно-гидрологических процессов на пахотных склонах повышает устойчивость агроландшафтов в целом, способствуя сохранению почв и увеличению продуктивности угодий, а также охране окружающей среды.
Среди основных функций узких лесных полос можно выделить: водосберегающую, агроэкологи-ческую (микроклиматическую), средообразующую (служат резерватами для видов дикой флоры и фауны), рекреационную и организующую (расчленяют и закрепляют границы угодий) [6]. С ландшафтно-геохимической позиции в сочетании с гидротехническими сооружениями они выступают в качестве геохимических барьеров на пути миграции продуктов эрозии: влекомых водными потоками почвенных частиц и растворенных в поверхностном стоке загрязнителей [7]. Поэтому оптимизация противоэро-зионных мероприятий не теряет своей актуальности. Необходима единая методология формирования лесогидромелиоративного комплекса (в виде узкой лесной полосы с канавой в междурядье и валом по нижней опушке) в условиях отдельных регионов, учитывающая преобладающие деградационные процессы, ландшафтные и климатические особенности, степень и интенсивность хозяйственного освоения территории.
На сегодняшний день подходы к объективной оценке многофакторного влияния лесных полос на окружающую среду и агропроизводство не разработаны. Поэтому сельхозтоваропроизводителю в современной экономической ситуации, когда земли находятся в аренде, не очевидна выгода в стоимости дополнительной растениеводческой продукции и лесных ресурсов, получаемых на защищенных полях. Это один из факторов, сдерживающих более широкое распространение водорегулирующих лесных полос. Другой фактор определяется нежеланием государства, юридических и физических лиц нести расходы по лесомелиоративному обустройству полей и содержанию защитных лесных насаждений. При этом аргументы в их пользу, приводимые в виде расчетных прибавок урожая сельскохозяйственных культур и стабилизации эрозионных процессов, воспринимаются с недоверием.
Цель исследований - разработать новый подход к методологии проектирования лесогидромелиоративного комплекса в условиях ЦЧР в среде ГИС с обоснованием состава пород деревьев в проектируемых лесополосах.
Условия, материалы и методы. Предлагаемая методология базируется на известных методах расчета и проектирования размещения лесных полос в агроландшафте. При этом она имеет ряд принципиальных особенностей, которые заключаются в подходах к расчетам с использованием средств геоинформационных систем (ГИС) для участков водосборов и совокупностей водосборов в целом, с набором индивидуальных показателей рельефа и характеристик стока в каждой определенной точке поверхности, а не для отдельных рабочих участков с осредненными показателями [8].
В основу методологии положена концепция противодеградационной роли узких лесных полос с гидротехническими сооружениями, важным показателем эффективности которых служит степень
защищенности полей от проявления водной и ветровой эрозии.
При проектировании лесополос параметры рельефа определяют по топографическим картам вручную, а формулы для расчета стока не привязаны к целым водосборам и не учитывают различия характеристик рельефа в разных точках поверхности водосборных территорий. На сегодняшний день ГИС используют только на этапе графического отображения проекта, что не в полной степени раскрывает их потенциал. Использование ГИС для проектирования лесополос позволяет довольно точно рассчитывать их местоположение с учетом характеристик стока и рельефа, а также значительно сокращает продолжительность проектирования.
В качестве расчетной основы для проектирования лесополос и гидротехнических сооружений в среде ГИС была взята методика [9], разработанная для условий ЦЧР, согласно которой для расчета стока можно применять следующую формулу:
W = И ■ П ■ К ■ Э ■ Р ■ К, (1)
в э с х '
где - весенний сток, мм; И - зональный средний многолетний сток талых вод с зяби или уплотненной пашни, мм; П - поправка на тип (подтип) почвы; Кэ - коэффициент, характеризующий влияние на сток степени эродированности почв (не смытые и слабосмытые - 0,94, среднесмытые - 1,0, сильносмытые - 1,1); Э - коэффициент, учитывающий воздействие на талый сток экспозиции склона (северная - 1,25; южная - 0,75; северо-западная и северо-восточная - 1,12; юго-западная и юго-восточная - 0,88; западная и восточная - 1,0); Р -ордината кривой обеспеченности для перехода от среднего многолетнего стока, снятого с карт, к стоку 10 %-ной обеспеченностью (под обеспеченностью стока воды или смыва почв понимается их повторяемость на протяжении определенного периода, которая выражается в процентах от рассматриваемого числа лет, так, 10 %-ная обеспеченность означает, что этот или больший сток или смыв может наблюдаться 1 раз в 10 лет); Кс - коэффициент снижения стока применяемыми почвозащитными агротехническими или гидромелиоративными приемами.
Возможности ГИС позволяют, используя эту зависимость, перейти от слоя стока в миллиметрах к кумулятивному объему стока в кубических метрах и рассчитывать его для водосбора в целом. На основе грида объема стока (разновидность растровой карты с числовыми значениями кумулятивного объема стока, присвоенными каждой ее ячейке - пикселю), построенного в ГИС автоматически, с учетом цифровой модели рельефа, и грида длин линий стока можно проектировать лесные полосы. При изменении положения насаждения на рельефе, в среде ГИС автоматически изменяется величина объема стока в межполосном пространстве на пашне, что позволяет определять наиболее эффективные с точки зрения стока и смыва почвы расстояния между насаждениями. Исходя из величин объема стока, длины склона и других показателей, принимаемых в расчетах, лесополоса может быть одна или несколько.
Результаты и обсуждение. Краткий алгоритм расчета объема стока в ГИС сводится к следующему:
построение цифровой модели рельефа (ЦМР) местности (водосбора, сельхозугодий и др.);
Таблица. Ассортимент древесных и кустарниковых пород для создания систем защитных лесных насаждений на водосборах на территории ЦЧЗ
[12]
Категория мелиоративно-
хозяйственных
площадей
склон лощина,
Порода от водораз- берег балки, откос
дела до коренной оврага
берега берег
реки реки
I* II II II I 1 II
главные породы
Дуб черешчатый + + + + + +
Береза повислая + + + + — —
Робиния лжеакация + + + + + +
Лиственница сибирская + + + + — —
Сосна обыкновенная + + + + + +
Осина + + + + + +
Тополь бальзамический + + + + — —
Тополь канадский + + + + — —
сопутствующие
Груша лесная + + + + + +
Рябина обыкновенная + - + — — —
Клен остролистный + + + + — —
Липа мелколистная + + + + — —
Вяз обыкновенный + + + — — —
кустарники
Лещина + + + + — —
Жимолость + + + + — —
Клен татарский - + — + — +
Смородина золотая - + — + — +
Бирючина - + — + — —
Бузина красная + + + + — —
Терн + + + + + +
Арония черноплодная + - + — — —
Карагана древовидная + + + + — —
Шиповник + + + + — —
Боярышник + + + + — —
*1 - лесостепь; II - степь.
построение грида экспозиций склонов; присвоение коэффициентов экспозиций для расчета стока (в соответствии с уравнением (1);
построение нового грида коэффициентов экспозиций для расчета стока;
оцифровка почвенной карты на территорию для проектирования лесополос (должны быть отражены типы почвы и степень эродированности);
создание атрибутивной таблицы в картограмме почв и внесение коэффициентов для типа и степени эродированности почв по уравнению (1);
создание с использованием коэффициентов для почв новых гридов для расчета объема стока;
построение на базе ЦМР грида направлений стока, затем на его основе грида длин линий стока. Грид длин линий стока показывает результаты автоматических вычислений длины всех маршрутов стока внутри заданного бассейна. Для каждой ячейки (пикселя) в растре длин линий стока результирующим значением служит количество ячеек, из которых осуществляется сток. Зная размер каждой ячейки, можно рассчитать кумулятивную длину линий стока в метрах;
проведение математических операций в среде ГИС по формуле (1) с последующим переводом результатов расчета стока в метры и умножением на длину линий стока.
После перечисленных манипуляций в среде ГИС создается грид кумулятивного объема стока. По критическим значениям объема стока в ячейках этого грида (в зависимости от используемого подхода) проектируют лесополосы. Если они не справляются с рассчитанным объемом стока, проект дорабатывают путем закладки между лесополосами гидротехнических сооружений (ГТС), в качестве которых может выступать, например, вал-канава.
После проектирования местоположения лесополос и ГТС, переходят к обоснованию состава пород деревьев. При этом за основу принимается утверждение о том, что почвенный покров пахотных земель в той или иной степени нарушен и частично утратил свое плодородие и устойчивость, но отвечает основным показателям по организации лесных полос из пород деревьев и кустарников, широко используемых в полезащитном лесоразведении, имеющих высокую горизонтальную сомкнутость крон и боковое притенение почвы. В районах с недостаточным и неустойчивым атмосферным увлажнением этому условию отвечают малорядные лесные полосы ажурно-продуваемой конструкции из быстро растущих пород деревьев и кустарников, которые способны перераспределять снежный покров на занятой площади и потреблять влагу перераспределенных осадков [10]. Древесные и кустарниковые породы должны соответствовать климатическим и почвенно-грунтовым условиям района проведения лесомелиоративных работ [11].
Результаты анализа ассортимент пород, рекомендованных для создания системы узких полос на водосборах на территории ЦЧЗ (см. табл.) свидетельствуют, что наиболее универсальны такие основные породы, как дуб черешчатый, робиния лжеакация, сосна обыкновенная и осина. Их можно использовать на всех категориях мелиоративно-хозяйственных площадей. Все предлагаемые породы, за исключением дуба черешчатого, быстрорастущие, что позволяет достичь положительного лесомелиоративного эффекта за короткий период.
По данным, полученным в стационарном опыте по контурно-мелиоративному земледелию ФГБНУ «Курский ФАНЦ», уже на второй год после посадки узкой лесной полосы с канавой в межполосном пространстве и валом по нижней опушке слой стока сокращается с 26 мм до 11 мм, а смыв почвы уменьшается с 5,0 до 0,8 т/га. В возрасте лесной полосы 9 лет, когда в контроле наблюдали сток 120 мм, близкий к стоку 10 %-ной обеспеченности, на водосборе с узкими лесными полосами он составил 29 мм [13]. Результаты этих наблюдений подтверждают стоко-регулирующую и противоэрозионную роль молодых лесных полос.
Выводы. Таким образом, в рамках нового подхода к методологии проектирования лесогидро-мелиоративного комплекса в условиях ЦЧР предлагается использовать ГИС-технологии не только на этапе визуализации, но и при расчетах, что позволяет проектировать лесополосы в рельефе с учетом критических значений кумулятивного слоя стока 10 % обеспеченности. Обоснованный состав пород деревьев для выращивания лесополос в ландшафтно-климатических условиях ЦЧР позволяет добиться стокорегулирующей и противоэро-зионной функции насаждений уже на второй год после высадки.
Литература.
1. Романовский М. Г., Коровин В. В., Щекалев Р. В. Биодеградация гумуса //Леснойжурнал. 2017. № 4. С. 187-196.
2. Трофимов И. А., Трофимова Л. С., Яковлева Е. П. Сохранение и оптимизация агроландшафтов Центрального Черноземья // Известия РАН. Серия географическая. 2017. №1. С. 103-109.
3. Влияние процессов естественного лесовосстановления на микробиологическую активность пост-агрогенных почв Европейской части России / И. Н. Курганова, В. О. Лопес де Гереню, А. С. Мостовая и др. //Лесоведение. 2018. № 1. С. 3-23.
4. Подлесных И. В., Зарудная Т. Я. К усовершенствованию методики противоэрозионной организации территории для автоматизированного проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2018. № 6. С. 35-40.
5. Танюкевич В. В. Мелиоративная роль и продуктивность лесных полос степных агролесоландшафтов (теоретический аспект) // Научная мысль Кавказа. 2011. № 4 (68). С. 85-89.
6. Иванов A. П., Кулик К. Н. Агролесомелиорация. Волгоград: ВНИАЛМИ, 2006. 746 с.
7. Хорошев А. В. Ландшафтно-геохимические основания планирования экологического каркаса агроландшафта (на примере среднетаежного ландшафта в Архангельской области) // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2015. № 6. С. 19-26.
8. Ермолаев О. П. Геоинформационное картографирование эрозии почв в регионе Среднего Поволжья // Почвоведение. 2017. №1. С. 130-144.
9. Герасименко В. П., Кумани М. В. Рекомендации по регулированию почвенно-гидрологических процессов на пахотных землях. Курск: ВНИИЗиЗПЭ, 2000. 105 с.
10. Петелько А. И., Выпова А. В. Влияние стокорегулирующей лесной полосы комбинированной конструкции с низким кустарников на эрозионно-гидрологические процессы//Земледелие. 2019. № 5. С. 3-7.
11. Рулев А. С., Пугачева А. М. Теоретические и прикладные аспекты нелинейной агролесомелиорации субаридных ландшафтов //Лесоведение. 2018. № 5. С. 389-398.
12. Агролесомелиоративное адаптивно-ландшафтное обустройство водосборов / И. С. Кочетов, А. Т. Барабанов, Е. А. Горшенев и др. Волгоград: ВНИАЛМИ, 1999. 84 с.
13. Подлесных И. В., Зарудная Т. Я., Надеин С. В. К усовершенствованию методики проектирования противоэрозионной организации территории в адаптивно-ландшафтном земледелии//Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2016. № 7. С. 57-62.
References
1. Romanovskii MG, Korovin VV, Shchekalev RV. [Humus biodégradation]. Lesnoi zhurnal. 2017;4:187-96. Russian.
2. Trofimov IA, Trofimova LS, Yakovleva EP. [Conservation and optimization of agrolandscapes of the Central Chernozem Region]. Izvestiya RAN. Seriya geograficheskaya. 2017;1:103-9. Russian.
3. Kurganova IN, Lopes de Gerenyu VO, Mostovaya AS, et al. [The influence of natural reforestation processes on the microbiological activity of post-agrogenic soils in the European part of Russia]. Lesovedenie. 2018;1:3-23. Russian.
4. Podlesnykh IV, Zarudnaya TYa. [To the improvement of the method of anti-erosion organization of the territory for the automated design of adaptive-landscape farming systems]. Vestnik Kurskoi gosudarstvennoi sel'skokhozyaistvennoi akademii. 2018;6:35-40. Russian.
5. Tanyukevich VV. [Ameliorative role and productivity of forest belts of steppe agro-forest landscapes (theoretical aspect)]. Nauchnaya mysl' Kavkaza. 2011;4:85-9. Russian.
6. IvanovAp, Kulik KN. Agrolesomelioratsiya [Agroforestry Reclamation]. Volgograd (Russia): VNIALMI; 2006. 746 p. Russian.
7. Khoroshev AV. [Landscape-geochemical bases for planning the ecological framework of an agrolandscape (on the example of a middle-taiga landscape in the Arkhangelsk region)]. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 5. Geografiya. 2015;6:19-26. Russian.
8. Ermolaev OP. [Geoinformation mapping of soil erosion in the Middle Volga region]. Pochvovedenie. 2017;1:130-44. Russian.
9. Gerasimenko VP, Kumani MV. Rekomendatsii po regulirovaniyu pochvenno-gidrologicheskikh protsessov na pakhotnykh zemlyakh [Recommendations for the regulation of soil-hydrological processes on arable land]. Kursk (Russia): VNIIZiZPE; 2000. 105 p. Russian.
10. Petel'ko AI, Vypova AV. [The influence of the flow-regulating forest belt of combined design with low shrubs on erosion-hydrological processes]. Zemledelie. 2019;5:3-7. Russian.
11. Rulev AS, Pugacheva AM. [Theoretical and applied aspects of nonlinear agroforestry amelioration of subarid landscapes]. Lesovedenie. 2018;5:389-98. Russian.
12. Kochetov IS, Barabanov AT, Gorshenev EA, et al. Agrolesomeliorativnoe adaptivno-landshaftnoe obustroistvo vodosborov [Agroforestry adaptive-landscape arrangement of watersheds]. Volgograd (Russia): VNIALMI; 1999. 84 p. Russian.
13. Podlesnykh IV, Zarudnaya TYa, Nadein SV. [To the improvement of the methodology for designing the anti-erosion organization of the territory in adaptive-landscape agriculture]. Vestnik Kurskoi gosudarstvennoi sel'skokhozyaistvennoi akademii. 2016;7:57-62. Russian.
ВНИМАНИЮ СОИСКАТЕЛЕЙ УЧЕНЫХ СТЕПЕНЕЙ И ДРУГИХ ЗАИНТЕРЕСОВАННЫХ ЛИЦ!
Редакция журнала «Достижения науки и техники АПК» издает монографии и другую книжную продукцию с редактированием и всеми выходными данными.
Цены договорные. Заявки отправлять по адресу: 101000, г Москва, Моспочтамт, а/я 166. Тел.: (963) 758-48-44. E-mail: agroapk@mail.ru
