CC BY
28
УДК 556.165.470.31
РОЛЬ АНТРОПОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ В ФОРМИРОВАНИИ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА ТАЛЫХ ВОД
А.Т. Барабанов, д. с.- х. н., a.barabanov2011@yandex.ru. - ФНЦ агроэкологии РАН, Волгоград
На основании выявленных закономерностей лирования с целью управления этим процессом. формирования поверхностного стока талых вод Ключевые слова: эрозия почв, факторы стока,
дана оценка влияния на него антропогенных и при- противоэрозионные приемы, лесные полосы, сне-
родных факторов, разработаны способы его регу- гоотложение, снеготаяние.
Проблема регулирования поверхностного стока является очень актуальной. Важнейшими факторами поверхностного стока талых вод являются: снегозапасы, глубина промерзания и влажность почвы. Анализ многолетних (свыше 60 лет) данных, полученных автором и многими поколениями ученых во ВНИАЛМИ (ныне ФНЦ агроэкологии РАН) и его опытной сети, позволил сформулировать и апробировать закон лимитирующих факторов стока, заключающийся в том, что при некотором минимальном значении одного из трех лимитирующих факторов (снегозапасы, глубина промерзания и влажность почвы) поверхностный сток не формируется независимо от уровня двух других [3, 4]. Установлены уровни факторов, при которых не формируется поверхностный сток талых вод. В лесостепи и степи при талой почве или замерзшей до глубины не более 50 см сток не формируется независимо от степени ее увлажнения и величины запасов воды в снеге. При промерзании почвы свыше 50 см величина стока от его глубины не зависит. В этом случае на его формирование оказывают влияние запасы воды в почве и снеге. При запасах воды в слое почвы 0-50 см менее 130 мм в лесостепи и 95 мм в степи сток не формируется независимо от глубины ее промерзания и запасов воды в снеге. При запасах воды в снеге меньше объема микрорельефа пашни сток также не формируется. При показателях уровней факторов, выше перечисленных, на величину стока влияют только снегозапасы и степень увлажнения почвы [6]. Наиболее мощное воздействие на сток оказывает глубина промерзания. Она зависит от многих факторов, но ведущее место занимает характер снегоотложения. Снег является одним из наиболее мощных естественных изоляторов. Он сильно сокращает потери тепла земной поверхностью. Регулируя снегоотложение можно управлять замерзанием почвы.
Результаты и их обсуждение.
Чтобы определить пути и способы управления эрозионно-гидрологическим процессом (ЭГП) необходимо знать, как же влияют антропогенные факторы на природные. Имеется много средств регулирования ЭГП. Их можно сгруппировать в три группы: к первой относятся приемы, рассре-доточенно влияющие на водопоглощение и сток (в основном агротехнические), ко второй - гидротехнические мероприятия, сосредоточенного действия, к третьей - лесомелиоративные, обладающие свойствами как локального, так и рассредоточенного воздействия на гидрологический процесс. Они обычно применяются в сочетании с приемами второй группы. Есть промежуточные приемы (ще-левание почвы, посев кулис из высокостебельных растений и полосные размещение культур и т.д.), сочетающие свойства первых двух групп.
Агротехнические противоэрозионные мероприятия (первая группа) оцениваются неоднозначно. Обобщение и анализ большого и противоречивого
материала позволили оценить их роль и сделать вывод о том, что эти мероприятия не позволяют сильно воздействовать на процессы стока и эрозии [5, 7]. Они, в принципе, не могут быть высокоэффективными, потому что не оказывают заметного влияния на природные факторы стока: снегозапа-сы, влажность почвы и глубину ее промерзания. Приемы второй группы сильно влияют на природные факторы, поэтому бывают высокоэффективны и уменьшают сток на 20-45 мм. Однако они обеспечивают задержание воды локально, на рубежах, рассчитаны на строго контурную организацию территории, сложны в эксплуатации и дорогостоящи. Приемы третьей группы сильнее всего воздействуют на факторы стока и, главное, на характер снего-отложения и запасы воды в снеге, что существенно влияет на промерзание почвы и, в конечном счете, на ЭГП. На территориях без лесной мелиорации на снегозаносимых склонах высота снега при движении сверху вниз увеличивается, а на снегосдувае-мых уменьшается. Это обусловливает соответствующий характер снеготаяния и освобождения почвы от снега. На снегозаносимых склонах стаивание снега происходит сверху вниз, а вода, стекающая сверху с открытой поверхности, поступает в снег и смыва почвы под снегом не производит. На сне-госдуваемых склонах, наоборот, постепенное стаи-вание снега происходит снизу вверх, а стекающая сверху вода производит сильный смыв почвы. Поэтому снегоотложение необходимо регулировать так, чтобы высота снега уменьшалась снизу вверх по склону.
Стокорегулирующие лесные полосы наиболее сильно влияют на снегоотложение. В лесостепи европейской части Российской Федерации, где не выражено или слабо выражено господствующее направление метельных ветров, снегоотложение под влиянием лесополос происходит примерно одинаково на разных экспозициях склонов. В лесополосах и шлейфовых частях его накапливается в 2-3 раза больше, чем в межшлейфовых и в открытом поле. В Западной Сибири, где господствующее направление ветров и гидрографическая сеть в большинстве случаев сориентированы с юго-запада на северо-восток [10], большая часть стокорегу-лирующих лесополос, размещаемых близко к горизонталям местности на склонах северо-западной и юго-восточной экспозиций, может быть размещена вдоль или под углом к господствующему направлению ветра. На этих склонах при контурной организации территории в лесных полосах и около них независимо от конструкции откладываются большие снежные сугробы (150-180 см), а на межполосном пространстве высота снега в 3-5 раз меньше. На противоположных склонах, где стокорегулирую-щие лесополосы размещаются перпендикулярно господствующему направлению метельных ветров, снег распределяется относительно равномерно, хотя в самих лесополосах накапливается его боль-
ше, чем в межполосном пространстве. Такое снего-отложение под влиянием лесополос обусловливает характер увлажнения почвы и глубину ее промерзания как на полях, так и в самих лесополосах, то есть антропогенные факторы (лесополосы) влияют на природные факторы (метельные ветры, увлажнение и промерзание почвы, снегозапасы) и эрозион-но-гидрологические процессы во взаимодействии.
Наши исследования и литературные данные показывают, что лесополосы способствуют увеличению влажности почвы весной. Однако в зиму она уходит по уровню увлажнения примерно в одинаковом состоянии как в лесных полосах, так и на прилегающих к ним участках и открытых полях. Поэтому лесополосы как антропогенный фактор, слабо воздействующий на предзимнее увлажнение почвы, или не оказывают влияния на сток, или способствуют небольшому его уменьшению.
На глубину промерзания почвы стокорегулирую-щие лесополосы влияют по-разному. В лесостепной части Западной Сибири на полях без лесных полос почва замерзает ежегодно и только 1 год из тридцати она промерзает не больше 50 см. В лесных полосах один раз в 20 лет она бывает талая, а 7-8 лет из десятилетия промерзает до 50 см. В лесостепи ЕТР почва промерзает до глубины 50 см в лесополосах - 7-8 лет в десятилетие, а в открытом поле -3-4 года. В Нижнем Поволжье почва бывает талая в лесополосах 3-4 года, а в открытом поле на светло-каштановой почве один год в 20 лет, а на каштановой - один раз в десятилетие. В лесополосах почва промерзает до 50 см 90-97 лет из 100. В поле без лесных полос почва до такой глубины промерзает 40-50 лет в столетие.
Знание роли антропогенных факторов и их взаимодействия с природными факторами позволяют совершенствовать известные и создавать новые почвозащитные приемы с целью управления процессами стока и эрозии. Большие перспективы в этом плане имеет лесомелиорация.
Наиболее мощным рычагом воздействия на промерзание почвы, а через него на ЭГП, являются лесополосы. Для предохранения почвы от промерзания необходимо иметь мощность снега 20-30 см к началу процесса замерзания почвы, а потом до 50 см по мере усиления морозов. Дальнейшее накопление снега в лесных полосах нежелательно.
Необходимо, чтобы лесополоса уже при первом снегопаде способствовала накоплению снега, а при достижении необходимой мощности (50см) - распределению его равномерно в поле.
Лесные полосы различных конструкций влияют на характер снегоотложения неодинаково. В плотных лесополосах (практически без просветов по всему профилю) и в их приопушечной части собираются большие снежные сугробы за счет снега, сдуваемого с межполосного пространства. Это, конечно, обеспечивает предохранение почвы от промерзания, но талая вода теряется с полей, а также из-за продолжительного периода таяния сугробов в приопушечной части задерживается начало проведения весенних полевых работ.
Продуваемые лесные полосы (крупные просветы между стволами и практически без просветов в кронах) обеспечивают относительно равномерное распределение снежного покрова в межполосном пространстве, однако в самих лесных полосах вследствие выдувания его, откладывается недостаточно, чтобы предохранить почву от промерзания.
Такая конструкция уменьшает кольматирующую способность лесополосы, что связано с отсутствием кустарника в опушечных рядах.
Лесные полосы ажурной конструкции (мелкие просветы по всему профилю) по характеру снего-отложения занимают промежуточное положение. В некоторые годы они накапливают возле себя большие сугробы, как и плотные. Также бывают случаи, когда снег из них выдувается (как из продуваемых). В целом ажурные лесополосы обеспечивают предохранение почвы от глубокого промерзания, однако не обеспечивают оптимального снегоотложения в межполосном пространстве.
Стокорегулирующие лесополосы в основном создаются такой же конструкции (в зональном разрезе), что и полезащитные (ветроломные). В первую очередь принимается в расчет их ветроломная эффективность, а также количество и характер выпадения снега. Для районов с выпадением большого количества снега (Западная Сибирь, Среднее Поволжье) рекомендуют применять лесополосы продуваемой конструкции; а для районов с небольшим количеством осадков (Северный Кавказ, Нижнее Поволжье) - ажурной. Однако, имея много схожего между собой в мелиоративном отношении, сто-корегулирующие лесополосы (и их конструкции) отличаются от полезащитных главной функцией - обеспечением оптимального снегоотложения в полосе и шлейфовой зоне, предохранением почвы от глубокого промерзания и кольматирование продуктов смыва почвы.
Ни одна из вышеперечисленных конструкций не удовлетворяет условиям, нужным для рационального воздействия на ЭГП и, следовательно, необходим поиск новой конструкции. Для этого лесополосу необходимо создавать с низкорослым (до 50 см) кустарником. Лесополоса должна быть в нижней части до 50 см плотной, а в средней и верхней частях продуваемой. Для регулирования замерзания почвы в поле целесообразно проводить посев кулис из высокостебельных сельскохозяйственных растений, оставление кулис из высокой стерни убранных культур при зяблевой обработке почвы.
Многофакторный анализ действия и взаимодействия элементов почвозащитного комплекса (антропогенных факторов) - стокорегулирующих лесополос в сочетании с гидротехникой, дифференцированного размещения севооборотов, обработки почвы, удобрений позволил оценить влияние каждого фактора, а также эффектов их взаимодействия на сток, эрозию и урожай. Выражается оно следующим уравнением:
у=а+ь1х1+ь2х2+ь3х3+ь12х1х2+ь13х1х3+ь23х2 Х3+Ь123Х1Х2Х3
Коэффициенты уравнений, полученные в результате математической обработки экспериментальных данных, показали, что самое сильное воздействие на природные факторы стока и ЭГП оказывают стокорегулирующие лесополосы. Далее по мощности воздействия следуют дифференцированное по склону размещение севооборотных массивов, характер зяблевой обработки почвы. Эффект взаимодействия факторов слабый [2].
Открытие закона лимитирующих факторов стока позволило нам иначе посмотреть на подходы к разработке новых способов регулирования снего-отложения с целью защиты почв от эрозии. В европейской части РФ, где возможно добиться равномерного распределения снега, рекомендуется [8] создавать на склоне систему стокорегулирующих
лесополос с изменяющейся ветропроницаемостью (увеличивающейся снизу вверх по склону) - от плотной до продуваемой конструкции. Снег на полях откладывается относительно равномерно с увеличением его высоты сверху вниз. При таком отложении снега он постепенно стаивает в этом же направлении и смыв почвы снижается.
Для районов Западной Сибири, где около лесополос образуются большие снежные сугробы, нами разработан другой противоэрозионный прием [1]. По этому способу в системе лесополос на водосборе осуществляется размещение сельскохозяйственных культур по крупным полосам. Около лесополос в местах отложения снежных сугробов размещают яровые культуры, а в середине межполосного пространства (между шлейфами) - многолетние травы, озимые и др. Процесс освобождения межполосного пространства от снега следующий. Сначала освобождается от него средина межполосного пространства, где меньше снега. Вода, поступающая из верхнего снежного шлейфа, образованного у нижней опушки расположенной выше лесополосы, на почвозащитную полосу, не вызывает смыв почвы или он бывает незначительный. После прохождения этой полосы талая вода попадает в зону нижнего шлейфа, где опасный в эрозионном отношении агрофон - отвальная зябь. Здесь также под снегом не происходит смыв почвы.
В идеале нужна такая конструкция лесной полосы, которая бы оптимально распределяла снег на защищаемых полях как продуваемая, но и предохраняла почву от промерзания, а также в достаточной степени обеспечивала потребности самого насаждения в воде. Для этого к концу зимы слой снега внутри полосы должен быть высотой 40-50 см. Для выполнения этих функций нами была предложена комбинированная (плотно-продуваемая) конструкция стокорегулирующей лесополосы (патент 2248116) [9]. Как известно, около 90 % метельного снега переносится на высоте до 10 см от поверхности почвы. Следовательно, создав препятствие необходимой высоты (в нашем случае 50 см), можно накапливать переносимый метелью снег до высоты преграды, а далее он будет через нее переноситься и равномерно откладываться в межполосном пространстве. На этом основано снегонакопительное и снегораспределительное действие лесополосы комбинированной конструкции. Поставленная цель достигается путем создания на водосборе системы стокорегулирующих лесополос из двух-трех рядов деревьев и одного ряда низкорослых кустарников (рисунок). Лесная полоса такой конструкции имеет следующий вертикальный профиль по продуваемости: в нижней части, примерно до 0,5 м от поверхности земли - плотная, выше - до 1,5-2,0 м продуваемая (без сучьев), а еще выше ажурная. Плотную нижнюю часть лесополос создают методом подбора низкорослого кустарника при посадке или путем подрезки высокорослого кустарника до необходимой высоты в существующих лесополосах. Продуваемую часть профиля лесополосы формируют подбором пород без сучьев или с небольшим их количеством на высоте до 2 м при посадке или путем обрезки сучьев на деревьях в существующих лесополосах. При этом продуваемость лесополос по профилю формируют следующую: в нижней части (до 0,3-0,5 м от поверхности земли) лесополоса должна быть плотная (до 10 % просветов и ветропроницаемость до 25-30 %), в средней (до 1,5-2,0 м) - продуваемая (свыше 60 %
просветов и ветропроницаемость более 70 %) и в верхней (выше 2 м) ажурная или плотная (до 15-35 % просветов и ветропроницаемость 25-75 %). Она обеспечивает достаточно равномерное и эффективное снегораспределение и снегонакопление на прилегающих полях (действует как продуваемая), а за счет ряда низкорослого кустарника - необходимый снегозапас в самой полосе.
х 3,0 м О 3,0 м о 3,0 м О
X о О о
X о о о
х о о о
9,0 м
Рисунок - Схема вариантов создания лесополос комбинированной конструкции
Внутри лесополос комбинированной конструкции по сравнению с продуваемой накапливается существенно больше снега, что обеспечивает успешный рост и устойчивое состояние лесополосы в суровых условиях засушливой степной зоны. Комбинированная конструкция к тому же обеспечивает более равномерное снегораспределение и более длинный, как и продуваемая, снежный шлейф на защищаемых полях.
Заключение.
Известно, что высота снежного покрова в лесной полосе существенно влияет на теплоизоляцию почв зимой, глубину и степень промерзания почвы и грунта, а следовательно, на водопоглощение, поверхностный сток и эрозию в период весеннего снеготаяния. При создании стокорегулирующих лесных полос обычно преследуется цель - обеспечение наилучшего снегораспределительного эффекта, а снегонакопление внутри самих лесных полос (для предотвращения почвы от промерзания и достижения достаточного влагообеспечения деревьев) рассматривается как
второстепенный фактор, хотя он очень важен для их долговечности и устойчивости. Решить эту проблему позволит создание агролесоландшафтов с системами стокорегулирующих лесополос комбинированной конструкции за счет улучшения влагообеспеченно-сти деревьев при сохранении высокого снегораспре-делительного эффекта на защищаемых полях. Это положительно скажется на продуктивности сельскохозяйственного производства и во многом на общем улучшении экологической обстановки в степной и лесостепной зонах РФ.
Литература:
1. А. с.1404000 (СССР) Способ защиты почв от водной эрозии на склонах / А. Т. Барабанов, Е. А. Гаршинев, А. И. Крупчатников, М. К. Пружин. Заявл.02.06.86. № 4092884 130-15(22) опубл. 1988, Бюл. № 23. - С 4
2. Барабанов А. Т. Агролесомелиорация в почвозащитном земледелии. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 1993. - 156 с.
3. Барабанов, А. Т Прогнозирование поверхностного стока талых вод [Текст] / А. Т Барабанов, И. П. Свинцов // Ж. Мелиорация и водное хозяйство. - 2006. - № 6.- С. 15-19.
4. Барабанов, А. Т. Закономерности формирования поверхностного стока талых вод, его прогноз и регулирование [Текст] / А. Т Барабанов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2012. - № 1(33). - С. 65-68
5. Барабанов, А. Т. Теоретические основы разработки системы адаптивно-ландшафтного земледелия [Текст] / А. Т Барабанов // Научно-агрономический журнал, 2016. - №2. - С. 4-6
6. Барабанов, А. Т. Эрозионно-гидрологическая оценка взаимодействия природных и антропогенных факторов формирования поверхностного стока талых вод и адаптивно-ландшафтное земледелие. - Волгоград: ФНЦ агро-
экологии РАН, 2017. - 188 с.
7. Барабанов, А. Т. Оценка стокорегулирующей роли противоэрозионных приемов с позиции закона лимитирующих факторов стока талых вод [Текст] / А. Т Барабанов // Научно-агрономический журнал, 2017. - №2 - С. 10-12.
8. Пат. 1799234 A3 РФ А01В79/02, A01G23/00, А01В13/16 Способ защиты почв от эрозии на склонах / Барабанов А. Т. (РФ), Гаршинёв Е. А. (РФ); заявитель ВНИАЛМИ. - № 4859671/15; заявл. 14.08.90; опубл. 28.02.1993, Бюл. № 8. - 3 с.
9. Пат. 2248116 C1 РФ А0^23/00, А01В79/02 Способ регулирования снегоотложения для защиты почв от эрозии на склонах / Барабанов А. Т. (РФ), Гаршинев Е. А. (РФ), Кочкарь М. М. (РФ); заявитель ГУ ВНИАЛМИ. - № 2003122810/12; заявл. 21.01.2003; опубл. 20.03.2005, Бюл. № 8. - 3 с.
10.Уваров, В.М. Влияние контурных лесныхт полос на увлажнение склонов / В.М. Уваров, С. Г Кириченко // Лесомелиорация при контурном земледелии. - Волгоград, 1988. - Вып. 1(93). - С. 106-110.
ROLE OF ANTHROPOGENIC AND NATURAL FACTORS IN THE FORMATION OF SURFACE RUNOFF OF MELT WATER
A.T. Barabanov, D.S-Kh.N. -
FSC of Agroecology RAS
On the basis of the revealed regularities of formation of surface runoff of melt waters the estimation of influence of anthropogenic and natural factors on it is given, methods of its regulation for the purpose to control this process are developed.
Key words: soil erosion. factors, of runoff, erosion control methods, forest strips, snow deposition, snow melting.
УДК 631.582
БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ОБРАБОТОК ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ СУХОСТЕПНОЙ ЗОНЫ
Д.А. Болдырь, к.с.-х.н.с.н.с., В.М. Протопопов, с.н.с., В.Ю. Селиванова, н.с., Е.П. Сухарева, к.с.-х.н., с.н.с., лаборатории земледелия и защиты растений, nwniish.ru - Нижне-Волжский НИИСХ -филиал ФНЦ агроэкологии РАН, Волгоград
Приведены результаты исследований в зерновых севооборотах с применением основных обработок почвы (отвальной, безотвальной, поверхностной и комбинированной).
На основе полученных данных проведена биоэ-
На современном этапе развития производственных отношений в сельском хозяйстве важнее не только получать высокий урожай зерновых культур, но и снижать затраты на производство продукции при сохранении и повышении плодородия почвы. Существующие в настоящее время технологии возделывания зерновых культур основанные преимущественно на глубокой отвальной обработке почвы, при всей их эффективности страдают существенным недостатком - повышенной энергоемкостью. Большой удельный вес (до 40%) в затратах при выращивании зерновых культур приходится на обработку почвы.
Переход к рыночной экономике и меняющиеся цены на материалы, оборудование, топливо и услуги не позволяют использовать экономические методы для объективной оценки эффективности возделывания культур по той или иной технологии. Поскольку объективная оценка все же необходима, то стать ею может только энергетический способ определения эффективности применения определенной технологии возделывания культуры [1].
нергетическая оценка эффективности обработок полученного урожая и затрат.
Ключевые слова: биоэнергетическая оценка, севообороты, основные обработки почвы, озимая пшеница, яровые культуры.
Материалы и методы исследования. Опытный участок находится в южной части Городищенского района Волгоградской области, почвы светло-каштановые, тяжелосуглинистые.
Климат резко континентальный с жарким летом и частыми суховеями. Максимальная температура вегетационного периода за четыре года составила 34,4 оС (июль 2016 г). Среднемесячная температура этого периода - 17,5оС. Зимний период характеризуется большими морозами. В отдельные годы они достигают до -27,5 оС (январь 2014), с частыми продолжительными оттепелями до +4оС. Среднемесячная температура холодного периода в среднем составляет -2,9 оС.
Для озимой пшеницы важнейшее значение имеет увлажнение осеннего периода от посева до прекращения вегетации. ГТК этого периода равнялся 0,28-0,33 за 2014 - 2017 сельскохозяйственный год.
ГТК за весенне-летний период по годам: 2014 -0,38, 2015 - 0,76, 2016 - 0,87, 2017 - 0,86, и составил в среднем за четыре года 0,71.
Схема опыта предусматривала два четырехполь-
