CC BY
25
УДК 634.0.93:631.11
ОЦЕНКА СТОКОРЕГУЛИРУЮЩЕЙ РОЛИ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ ПРИЕМОВ С ПОЗИЦИИ ЗАКОНА ЛИМИТИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ СТОКА ТАЛЫХ ВОД*
А. Т. Барабанов, д. с.-х. н., [email protected] - Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного
лесоразведения Российской академии наук» (ФНЦ агроэкологии РАН), Волгоград, Россия На основе обобщения большого эксперимен- «Оптимизация регулирования весеннего паводка на ос
тального материала дается количественная оценка стокорегулирующей роли противоэрозионных мероприятий и раскрывается причина низкой эффективности агротехнических мероприятий на основе знания закона лимитирующих факторов поверхностного стока талых вод.
*Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Волгоградской области, проект
нове разработки высокоточного прогноза поверхностного стока талых вод в бассейне Волжско-Камского каскада водохранилищ, способствующего снижению отрицательного экологического влияния на Волго-Ахтубинскую пойму: экологические, социальные аспекты - улучшение условий жизни людей и животных» № 16-16-34001.
Ключевые слова: закон лимитирующих факторов стока, противоэрозионные мероприятия, искусственный микрорельеф, лесные полосы.
Эрозия почв происходит под действием природных факторов в результате нерациональной сельскохозяйственной (в основном земледельческой) деятельности. Интенсивные системы земледелия создают условия для повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий, но за счет больших потерь почвы вследствие эрозии и дефляции [5]. Для решения этой проблемы нужна адаптивно-ландшафтная система земледелия, которая включает различные технологии и мероприятия, в том числе и противоэрозионные. Для разработки таких систем необходимо знать их эффективность. Противоэрозионные мероприятия могут эффективно влиять на предотвращение поверхностного стока талых вод только в том случае, если они воздействуют на природные факторы, существенно влияющие на его формирование.
Методика, результаты и их обсуждение.
Автором [4] на основе собственных исследований и обобщения данных ВНИАЛМИ (ныне ФНЦ
агроэкологии РАН) и других научных учреждений определены главные факторы, существенно влияющие на величину стока. Ими являются снегоза-пасы, влажность почвы в слое 0-50 см и глубина ее промерзания. Другие факторы, в том числе интенсивность и продолжительность снеготаяния, очень слабо влияют на формирование стока, и поэтому их можно не учитывать при оценке роли про-тивоэрозионных приемов в регулировании стока. В результате был открыт закон лимитирующих факторов поверхностного стока талых вод. Суть закона лимитирующих факторов состоит в том, что при некотором (лимитирующем) значении одного из трех факторов (снегозапасы, увлажнение и глубина промерзания почвы) сток не формируется независимо от уровня двух других. Были определены максимальные значения факторов, при которых сток не формируется. Алгоритм оценки влияния природных факторов на поверхностный сток в зависимости от их уровня приведен в таблице 1.
Таблица 1 - Алгоритм влияния природных факторов на поверхностный сток талых вод в зависимости от их уровня
Уровень факторов Характер формирования стока
глубина промерзания почвы, см запасы воды в слое почвы 0-50 см, мм снегозапасы, мм
Менее 50 Любой Любой Сток не формируется
Более 50 Менее 70-120 (по зонам) Любой Сток не формируется
Более 50 Более 70-120 (по зонам) Меньше объема микрорельефа Сток не формируется
Более 50 Более 70-120 (по зонам) Больше объема микрорельефа Сток формируется, величина его зависит от уровня запасов воды в снеге и почве и рассчитывается он по уравнениям [2]
Если почва талая или промерзла до глубины не более 50 см, сток не формируется независимо от уровня ее увлажнения и количества снегозапасов. Дальнейшее увеличение глубины промерзания почвы выше лимитирующего уровня практически не влияет на величину стока. Решающее влияние на него в этом случае оказывают влагозапасы в почве и снеге. При запасах влаги в верхнем (0-50 см) слое почвы менее 70-130 мм (по разным зонам) сток не формируется независимо от глубины промерзания почвы и снегозапасов. При уровнях факторов, выше лимитирующих, сток формируется всегда, и величина его зависит от запасов воды в почве и снеге.
Установлено, что почва как саморегулирующаяся система способна в мерзлом состоянии поглотить количество воды, равное полной влагоемкости верхнего слоя. Разница между полной влагоемкостью и фактическими влагозапасами характеризует величину водопоглощения. Она зависит от дефицита влаги в почве и величины снегозапасов перед снеготаянием.
С этих позиций можно оценивать роль противоэ-
розионных приемов в регулировании стока. Иными словами, если указанные выше природные факторы в значительной степени влияют на формирование стока, то, воздействуя на них антропогенными факторами, можно регулировать его.
В таблице 2 приведены результаты обобщения [1, 6, 7] собственных исследований и литературной информации (около 1150 годоопытов) о стокорегу-лирующей эффективности противоэрозионных мероприятий и их сочетаний. Они показывают, что на некосимой целине сток талых вод отсутствует. При сенокошении и выпасе скота он в три раза увеличивается, то есть земледелие привело к ухудшению водного баланса. Для предотвращения этого в системе противоэрозионных мероприятий важная роль отводится стокорегулирующим лесополосам. С их помощью можно повысить водопоглощение до 40-50 мм, а в многоводные годы - до 100 мм и более. Применение лесополос в комплексе с гидротехническими и другими средствами усиления водопоглощения способствует увеличению впитывания в 2-3 раза и более.
Наилучшее регулирование стока обеспечивают гидротехнические приемы на пашне (валы-террасы) и стокорегулирующие лесополосы в сочетании со средствами гидротехники (валы, канавы и особенно их комбинация). Высокий эффект поглощения талых вод обеспечивают также массивы лесной и целинной травянистой растительности.
Следует отметить, что стокорегулирующая эффективность агротехнических приемов, особенно приемов устройства микрорельефа на пашне (лун-
Средние показатели эффекта колеблются около нуля. Низкий стокорегулирующий эффект от искусственного микрорельефа на зяби связан с тем, что впитывающая способность почвы в искусственных емкостях резко снижается за счет уплотнения почвы гусеницами трактора, колёсами и рабочими органами орудий при его устройстве; уменьшения мощности рыхлого слоя в днище ёмкости; образования наилка и закупорки пор в связи с формированием микростока и смыва с бортов ёмкостей во время осенних дождей; переувлажнения почвы в днищах ёмкостей с осени и образования ледяного экрана зимой. Впитывающая способность почвы, к сожалению, не учитывается при оценке стокорегу-лирующего эффекта микрорельефа, а она является важнейшим показателем его эффективности. Этот эффект мог бы быть больше, если бы при создании микрорельефа впитывающая способность почвы не уменьшалась, а еще лучше увеличивалась бы.
Таким образом, создаваемые искусственные ёмкости микрорельефа не компенсируют потери на впитывании, и сток не сокращается. Кроме того, когда отдельные емкости переполняются и размываются, то создается «лавинный эффект» и размы-
кование, бороздование, микролиманы, щелевание на глубину до 50 см и др.), в регулировании стока очень низкая.
Они снижают величину стока в среднем на 5-10 мм, а часто даже увеличивают его. Обобщенные нами данные (215 годоопытов) показывают, что положительный стокорегулирующий эффект от применения искусственного микрорельефа был в 39% случаев, отрицательный - 31% и - нулевой 30%, а в 64% случаев эффект составлял всего ± 5 мм.
ваются остальные.
Сохранение или увеличение впитывающей способности почвы можно достигнуть путём мульчирования ее поверхности, применением искусственных структурообразователей, совместного применения микрорельефа, лесных полос и др. Но эти меры значительно не повысят стокорегулирующую эффективность микрорельефа, так как он почти не влияет на природные факторы (глубина промерзания, влажность почвы, снегозапасы), обусловливающие формирование стока. Низкий эффект агротехнических приемов в регулировании стока также легко объясняется с позиций закона лимитирующих факторов поверхностного стока талых вод. [2-4]. Они также почти не влияют на природные факторы, обусловливающие формирование стока.
Из закона лимитирующих факторов стока талых вод вытекает вывод о том, что, воздействуя на природные факторы стока (снегозапасы, увлажнение и глубина промерзания почвы), можно совершенствовать известные и разрабатывать новые приемы управления эрозионно-гидрологическими процессами. При этом возможности совершенствования
Таблица 2 - Обобщенные характеристики элементов водного баланса на естественных, антропогенно измененных стокорегулирующими приемами угодьях [1]
Угодья, агрофоны, стокорегулирующие приемы Снегозапасы, мм Сток, мм Уменьшение (-), увеличение (+) стока в сравнении с контролем
1. Естественные девственные и антропогенно измененные угодья (без подтока со склонов)
1.1. Лесные насаждения
Леса естественные 180 2 -48
Леса естественные 330 40 -10
Лесополосы: молодые взрослые 170 5 -45
330 40 -10
1.2. Травянистая растительность
Целина некосимая 130 0 -50
Целина косимая 40 -10
Целина выпасаемая 100 60 + 10
1.3. Пашня без специальных стокорегулирующих приемов
Пашня: зябь (контроль) 110 50 0
Уплотненная пашня (многолетние травы) 120 70 +20
2. Антропогенно улучшаемый ландшафт с применением стокорегулирующих приемов
2.1. Агротехнические приемы
Глубокое рыхление, окультуривание почв 100 40 -10
Искусственный микрорельеф 100 45-66 +5...-5
2.2. Гидротехнические приемы
Валы-террасы 100 10-20 -30 -40
Водопоглощающие канавы 100 5-15 -35...-45
2.3. Контурные комбинированные приемы, сочетающие задержание и поглощение воды в поле и на рубежах
Лесополоса без средств усиления 100 15 -20
Лесополосы + вал в лесополосе 100 10 -25
Лесополоса + вал + канава 100 5 -30
агротехнических стокорегулирующих приемов ограничены. В области лесомелиорации имеются большие перспективы в плане совершенствования и разработки новых приемов. Лесомелиоративные мероприятия сильно воздействуют на природные факторы, особенно на снегозапасы (снегоотложе-ние), на глубину и характер промерзания почвы.
Знание закона лимитирующих факторов позволило нам разработать новые способы регулирования снегоотложения с целью управления эрозионно-ги-дрологическим процессом. Создается система лесополос новой - комбинированной конструкции из 2-3 рядов деревьев и 1-2 рядов низкорослых кустарников. При этом формируется следующая ветропрони-цамость их по профилю: в нижней части (до 0,3-0,5 м от поверхности земли) лесополоса должна быть плотная, в средней (до 1,5-2,0 м) - продуваемая и в верхней (выше 2 м) - ажурная или плотная).
Для условий, где возможно относительно равномерное распределение снега, предлагается создавать систему лесных полос в сочетании с кулисами из высокостебельных сельскохозяйственных растений. Для этого поперек склона или по контуру размещаются стокорегулирующие лесополосы с изменяющейся ветропроницаемостью (уменьшающейся сверху вниз по склону): продуваемая, ажурно-продуваемая, ажурная и плотная. На межшлейфовых участках межполосных пространств (кроме продуваемых лесополос) высеваются кулисы из высокостебельных сельскохозяйственных растений. При использовании этого способа весь выпавший снег откладывается на полях относительно равномерно с увеличением мощности сверху вниз, что обусловливает постепенное стаивание его в этом же направлении. При этом талая вода, стекающая по освобожденной поверхности, попадая в снег, еще лежащий в нижней части, почти не производит на ней смыва.
В районах, где на склонах у стокорегулирую-щих лесных полос образуются снежные шлейфы, предлагается применят новый способ размещения стокорегулирующих лесных полос и сельскохозяйственных культур. Заключается он в создании на водосборе системы лесных полос и крупнополосном размещении сельскохозяйственных культур в прилегающих к ним зонах во взаимосвязи. Вблизи лесных полос, в зонах отложения снежных шлейфов, высевают яровые культуры, под которые требуется вспашка зяби, или размещают чистые пары, а в межшлейфовых частях межполосного пространства - многолетние травы, стерневые и другие мульчирующие агрофоны. При этом в процессе таяния снега в первую очередь освобождается от него средняя часть межполосного пространства. Талая вода, поступая из примыкающего к нижней опушке вышележащей лесополосы снежного шлейфа на почвозащитную полосу, вообще не производит на ней смыва, или он резко уменьшается. Пройдя через эту полосу, вода поступает на участок с отвальной зябью в зону снежного шлейфа, образованного нижележащей лесополосой. Здесь под снегом она также не производит смыва. Все это обеспечивает снижение смыва в 2-3 раза, а в ряде случаев может предотвратить его полностью. Таким образом, лесомелиоративные мероприятия, воздействуя на природные факторы, сильно влияют на эрозион-но-гидрологический процесс. Знание закономерностей взаимодействия их и влияния на сток и смыв позволяет управлять этим процессом.
Заключение.
Оценка всех способов и приемов управления эро-зионно-гидрологическим процессом позволили выявить наиболее перспективные. Ими могут быть приемы, существенно влияющие на формирование
поверхностного стока и направленные на регулирование его путем потускулярного перевода в грунтовый (лесные полосы, водозадерживающие валы и канавы и др.): безопасный сброс по поверхности (наклонные водоотводящие борозды, распылители стока, водоот-водящие валы и др.); повышение противоэрозионной устойчивости почв (минимизация обработки, плоскорезная обработка, использование многолетних трав для улучшения структуры почв и др.); использование почвозащитных свойств растительности (почвозащитные севообороты, постоянное залужение сильно-эродированных участков, совершенствование структуры посевных площадей и др.).
В силу указанных обстоятельств стратегия про-тивоэрозионной мелиорации должна исходить из того, что необходимый стокорегулирующий эффект может обеспечить лишь искусственно создаваемая система контурных стокорегулирующих и противоэрозионных рубежей - в первую очередь лесных полос в сочетании с гидротехническими приемами, создающими своеобразный каркас на местности. Агротехнические приемы в управлении эрозионно-гидрологическим процессом выполняют лишь ограниченную роль, а применение гидросооружений (валов-террас) на пашне лимитируется сложностью их создания и эксплуатации. Наиболее перспективными приемами регулирования эрози-онно-гидрологического процесса являются лесомелиоративные. Они многофункциональны, долговечны и высокоэффективны, и есть возможности их дальнейшего совершенствования. Таким образом, знание закона лимитирующих факторов стока позволяет целенаправленно строить системы адаптивно-ландшафтного земледелия и управлять эро-зионно-гидрологическим процессом.
Литература:
1.Кочетов, И.С. Агролесомелиоративное адаптивно-ландшафтное обустройство водосборов / И.С.Кочетов, А.ТБарабанов, Е.А. Гаршинев и др. - Волгоград, 1999. - 84 с.
2. Барабанов, А.Т. Сохранение экологического потенциала Волго-Ахтубинской поймы на основе высокоточного прогноза поверхностного стока талых вод в Волжско-Камском бассейне / А.Т.Барабанов, В.И Панов // Вода: химия и экология.- 2014. - №8. - 7-23 с.
3. Барабанов, А.Т. Агролесомелиорация в почвозащитном земледелии / А.Т. Барабанов. - Волгоград, 1993. - 156 с.
4. Барабанов АТ Закон лимитирующих факторов стока талых вод / А. Т Барабанов // Докл. РАСХН. - 1994. - № 6. - С. 36-38.
5. Барабанов, А.Т. Роль и место агролесомелиорации в адаптивно-ландшафтной системе земледелия / А.Т Барабанов // Известия Нижневолжского агроуниверситетско-го комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2015. - № 2(38). - С. 22-31
6. Барабанов, А.Т. Роль и место агротехнических про-тивоэрозионных мероприятий в системе адаптивно-ландшафтного земледелия / А.Т Барабанов // Вклад аграрной науки в развитие земледелия юга Российской Федерации. Инновационное развитие АПК: матер. междунар. науч.-практ. конф. - Волгоград: ООО «Сфера», 2015. - С. 366-369.
7. Гаршинев, Е.А. Эрозионно-гидрологический процесс и лесомелиорация: Экспериментальная оценка, расчет, проектирование. / Е.А Гаршинев. - Волгоград, 1999. - 220 с.
ASSESSMENT OF FLOW REGULATIVE INFLUENCE OF
MEASURES FOR EROSION CONTROL ON THE BASIS OF THE LAW OF LIMITING FACTORS OF MELT SNOW RUNOFF
Barabanov A. T., Dr. Sci. Agr. - Federal State Budget Scientific
Institution "Federal Scientific Center of Agroecology, Complex Melioration аnd Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences (FSC of Agroecology RAS), Volgograd, Russia
The quantitative assessment of the flow regulative role of measures for erosion control is conducted through the generalization of wide study material, the reason of low effectiveness of agrotechnical
easures is considered with the use of the law of limiting factors of melt snow runoff.
Key words: the law of the limiting factors of the runoff; measures for erosion control; microrelief of planted forestaions; forest belts.
