CC BY
23
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Информация об авторах Кружилин Иван Пантелеевич, главный научный сотрудник федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия» (400002, г. Волгоград, ул. Тимирязева, 9), академик Российской академии наук, тел: (8442) 60-24-36, е-mail: vniioz@yandex.ru.
Ганиев Муслим Абдулаевич, старший научный сотрудник федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия» (400002, г. Волгоград, ул. Тимирязева, 9), кандидат технических наук, тел: (8442) 6024-39, е-mail: vniioz@yandex.ru.
Родин Константин Анатольевич, старший научный сотрудник федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия» (400002, г. Волгоград, ул. Тимирязева, 9), кандидат сельскохозяйственных наук, тел. 8(8442) 60-23-22, е-mail: rodin.ka@yandex.ru
Невежина Айнагуль Беркбаевна, научный сотрудник федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия» (400002, г. Волгоград, ул. Тимирязева, 9), кандидат сельскохозяйственных наук, тел. 8(8442) 60-23-22, е-mail: aina.kanaeva@mail.ru.
Воронцова Елена Сергеевна, научный сотрудник федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия» (400002, г. Волгоград, ул. Тимирязева, 9), тел. 8(8442) 60-23-22, е-mail: esvoronts@mail.ru
DOI: 10.32786/2071-9485-2020-03-03 THE ROLE OF SNOW RESERVES IN THE FORMATION OF SURFACE RUNOFF MELTWATER ON AGRICULTURAL LANDFOREST-STEPPE ZONE OF THE RUSSIAN PLAIN
A.T. Barabanov
Federal Scientific Centre of Agroecology, Complex Melioration, and Protective Afforestation «Russian Academy of Sciences», 400062, Volgograd, Russia
Received 30.07.2020 Submitted 02.09.2020.
Summary
The article considers the role of snow reserves in the meltwater surface runoff formation in interaction with other natural factors (depth of freezing and soil moisture). With a small depth of soil freezing (up to 50 cm) or moisture reserves less than 120 mm (in a layer of 0-50 cm), the runoff is not formed independently of snow reserves. At the factors levels over the mentioned, the runoff depends on snow reserves, but in interaction with soil moisture. Humidity plays an active role, while snow reserves play a passive role. The more moisture reserves in the soil, the more snow water goes to the runoff formation.
Abstract
Introduction. Protecting soils from erosion is a complex issue. Its solution is very important. It should be solved by developing a system of measures to manage the erosion-hydrological process based on knowledge of the regularities of the formation of surface melt water runoff in the drainage basin. To solve it, an integrated approach to flow regulation is required by identifying the influence of natural and anthropogenic factors on it. Very important in understanding the patterns of formation of melt water runoff is its connection with natural factors and especially with snow reserves. When predicting runoff, snow reserves are unreasonably assigned a very large role. The volume of surface runoff is often associated with the amount of water in the snow in the catchment. The more snow, the more runoff is expected. As a result, erroneous forecasts appear, which lead to catastrophic consequences in the regulation of spring floods. For example, when planning the spring release regime on the Volga-Kama cascade of reservoirs, often with very large snow reserves in the Volga drainage basin, a large inflow of water into the reservoirs is expected, but it turns out to be insignificant, but it happens on the contrary - with relatively small water reserves in the snow, the runoff from the drainage basin is large. In fact, the role of snow storage in the formation of runoff is very complex. Materials and methods. The object of the research was to study the regularities of the formation of surface melt water runoff under the influence of natural factors: snow reserves, soil moisture and the depth of its freezing in interaction. The aim of the study was to identify the role of snow storage in the formation of runoff. As a result of our research and generalization of the materials of other researchers, a large long-term material was
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
obtained, which made it possible to draw important conclusions. The methodological basis of our experiments was the methods used in various related sciences, adapted to the set goals and objectives. Experimental studies were carried out at the Novosilskaya Zonal Agroforestry Experimental Station named after A.S. Kozmenko (now a branch of the Federal Research Center of Agroecology of the Russian Academy of Sciences) in the Oryol region in stationary experiments using the method of runoff sites. It allows you to identify patterns of flow formation differentially on different types of soils, types of land and arable land. For this, drainage plots with a width of 20 m and a length of 100 m were laid. At the same time, snow surveying, observations and determination of meteorological indicators (temperature, air humidity, precipitation, wind, cloudiness, etc.), freezing, thawing, soil moisture, bulk soil mass were carried out, melt water runoff, soil washout, etc. The height of the snow was measured with a snow gauge along the profiles every 4 m in 3-5 repetitions, snow density - with a weight snow gauge in 20 m in 3 repetitions. The depth of soil freezing was determined by drilling wells, digging pits and using Danilin's permafrost meters, soil moisture - by the thermostat-weight method. The melt water runoff was taken into account on triangular weirs with a 45° cut angle. Measurements of the runoff at the weirs were made after an hour, and at the time of the peak of the discharge, after half an hour. All other indicators were determined according to generally accepted proven methods. Results and conclusion. Our task was to determine the influence of natural factors on runoff. We have experimentally established and theoretically substantiated the relationship between the surface runoff of melt water and snow reserves in interaction with other natural factors. Water reserves in snow (snow reserves) play an important role in the formation of runoff in interaction with other factors. It is assessed ambiguously. Under some combination of some conditions (the soil is thawed or frozen less than 50 cm), snow reserves do not at all affect the formation of runoff, and with others (the depth of freezing is more than 50 cm), they are the most important factor in its formation in interaction with soil moisture. When the moisture reserves in it are less than 120 mm (in the 0-50 cm layer), runoff is not formed regardless of the snow reserves. At levels of factors above these, runoff depends on snow reserves, but in interaction with soil moisture. Humidity plays an active role, snow reserves are passive, that is, snow reserves do not directly affect the runoff. It depends on the moisture reserves in the soil. The more the soil is moistened, the less snow water is used for absorption and the more for the formation of runoff. Thus, the amount of runoff depends to a large extent on snow reserves, but it depends on the depth of freezing and soil moisture. It was also carried out the construction of regression models of the formation of runoff at a depth of soil freezing deeper than 50 cm. This will allow a new approach to the assessment of the hydrological process on agricultural land and carry out important applied developments.
Key words: surface runoff, erosion of soils, snow cover, soil moisture, depth offreezing.
Citation. Barabanov A.T. The role of snow reserves in the formation of surface runoff meltwater on agricultural landforest-steppe zone of the Russian plain. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2020. 3(59). 34-45 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2020-03-03.
Author's contribution. Author of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study.
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. УДК 631.6.02
РОЛЬ СНЕГОЗАПАСОВ В ФОРМИРОВАНИИ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА ТАЛЫХ ВОД НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЛЯХ ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ РУССКОЙ РАВНИНЫ
А. Т. Барабанов, доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник
«Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», г. Волгоград
Дата поступления в редакцию 30.07.2020 Дата принятия к печати 02.09.2020
Актуальность. Защита почв от эрозии - сложная проблема. Решение ее очень актуально. Решаться она должна путем разработки системы мероприятий по управлению эрозионно-гидрологическим процессом на основе знания закономерностей формирования поверхностного стока талых вод на водосборном бассейне. Для ее решения необходим комплексный подход к регулированию стока путем выявления влияния на него природных и антропогенных факторов.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Важное значение в познании закономерностей формирования стока талых вод имеет связь его с природными факторами, и особенно со снегозапасами. При прогнозировании стока снегозапасам необоснованно отводится очень большая роль. Часто объем поверхностного стока связывают с запасами воды в снеге на водосборе. Чем больше снега, тем больший ожидают сток. В результате появляются ошибочные прогнозы, которые приводят к катастрофическим последствиям при регулировании весенних паводков. Например, при планировании режима весеннего пуска на Волжско-Камском каскаде водохранилищ часто при очень больших снегозапасах на водосборном бассейне Волги ожидают большой приток воды в водохранилища, но он оказывается незначительным, а бывает наоборот - при относительно небольших запасах воды в снеге сток с водосбора бывает большой. На самом деле роль снегозапасов в формировании стока очень сложная. Материалы и методы. Объектом исследований было изучение закономерностей формирования поверхностного стока талых вод под влиянием природных факторов: снегозапасов, влажности почвы и глубины ее промерзания во взаимодействии. Целью исследования было выявление роли снегозапасов в формировании стока. В результате наших исследований и обобщения материалов других исследователей получен большой многолетний материал, позволивший сделать важные выводы. Методической основой наших экспериментов были методы, используемые в разных смежных науках и адаптированные к поставленными целям и задачам. Экспериментальные исследования проводились на Новосильской зональной агролесомелиоративной опытной станции им. А. С. Козменко (ныне филиал ФНЦ агроэкологии РАН) в Орловской области в стационарных опытах с применением метода стоковых площадок. Он позволяет выявить закономерности формирования стока дифференцированно на различных разновидностях почв, видах угодий и пашни. Для этого закладывались стоковые площадки шириной 20 м и длиной 100 м. При этом проводили снегомерные съемки, наблюдения и определения метеорологических показателей (температура, влажность воздуха, осадки, ветер, облачность и др.), промерзания, оттаивания, влажности почвы, объемной массы почвы, стока талых вод, смыва почвы и др. Высоту снега измеряли снегомерной рейкой по профилям через 4 м в 3-5-ти кратной повторности, плотность снега - весовым снегомером через 20 м в 3-х кратной повторности. Глубину промерзания почвы определяли путем бурения скважин, выкопки шурфов и по мерзлотомерам Данилина, влажность почвы - термостатно-весовым методом. Сток талых вод учитывали на треугольных водосливах с углом выреза 45о. Замеры стока на водосливах производили через час, а во время пика расхода через полчаса. Все другие показатели определялись по общепринятым апробированным методикам. Результаты и выводы. Нашей задачей было определение влияния природных факторов на сток. Нами экспериментально установлена и теоретически обоснована связь поверхностного стока талых вод со снегозапасами во взаимодействии с другими природными факторами. Важную роль в формировании стока играют запасы воды в снеге (снегозапасы) во взаимодействии с другими факторами. Она оценивается неоднозначно. При некотором сочетании одних условий (почва талая или промерзла меньше 50 см) сне-гозапасы совсем не влияют на формирование стока, а при других (глубина промерзания больше 50 см) - они являются важнейшим фактором его формирования во взаимодействии с влажностью почвы. При запасах влаги в ней меньше 120 мм (в слое 0-50 см) сток не формируется независимо от снегозапасов. При уровнях вышеуказанных факторов сток зависит от снегозапасов, но во взаимодействии с увлажнением почвы. Влажность играет активную роль, снегозапасы - пассивную, то есть снегозапасы непосредственно на сток не влияют. Он зависит от запасов влаги в почве. Чем больше увлажнена почва, тем меньше снеговой воды идет на впитывание и тем больше - на формирование стока. Таким образом, от снегозапасов величина стока зависит в значительной степени, но в зависимости от глубины промерзания и влажности почвы. Было также осуществлено построение регрессионных моделей формирования стока при глубине промерзания почвы глубже 50 см. Это позволит по-новому подойти к оценке гидрологического процесса на сельскохозяйственных угодьях и осуществить важные прикладные разработки.
Ключевые слова: поверхностные стоки, эрозия почв, снегозапасы, влажность почв, глубина промерзания почв.
Цитирование. Барабанов А. Т. Роль снегозапасов в формировании поверхностного стока талых вод на сельскохозяйственных землях лесостепной зоны Русской равнины. Известия НВ АУК. 2020. 3(59). 34-45. DOI: 10.32786/2071-9485-2020-03-03.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Авторский вклад. Автор настоящего исследования принимал непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования.
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Введение. Фундаментальная проблема - защита почв от эрозии должна решаться путем регулирования поверхностного стока на основе знания закономерностей его формирования на водосборном бассейне. Она является очень актуальной и до сих пор не решенной. Это очень сложная задача, и решаться она должна комплексно. Для ее решения необходимо выявить влияние на сток природных и антропогенных факторов и определить пути использования этих фундаментальных разработок в прикладной науке и на практике. Нашей задачей было определение влияния природных факторов на сток с разных видов пашни и сельхозугодий на основе анализа и обобщения своих экспериментальных данных, литературных и фондовых материалов. Важную роль в формировании стока играют запасы воды в снеге (снегозапасы) во взаимодействии с другими факторами. Чаще всего снегозапасам отводят необоснованно большую роль. В результате даются прогнозы низкой точности, а иногда и ошибочные, которые приводят к отрицательным последствиям при регулировании весенних паводков на реках. На самом деле роль снего-запасов в формировании стока оценивается неоднозначно. При некотором сочетании природных факторов снегозапасы совсем не влияют на формирование стока, а при других - они играют важнейшую роль в его формировании, но во взаимодействии с влажностью почвы [1]. Это нами экспериментально доказано и теоретически обосновано. Было также осуществлено построение регрессионных моделей формирования стока при глубине промерзания почвы глубже 50 см. Объект. Объектом исследований было изучение закономерностей формирования весеннего склонового стока под влиянием природных факторов на серых лесных почвах в лесостепи европейской части Российской Федерации. Материалы и методы. Исследования проводились на Новосильской зональной агролесомелиоративной опытной станции им. А. С. Козменко (ныне филиал ФНЦ агроэкологии РАН) в Орловской области. Методологической и методической основой наших экспериментов были разные методы, применяемые в смежных науках (гидрология, почвоведение, агролесомелиорация, география, математика), адаптированные к целям и задачам агролесомелиорации и адаптивно-ландшафтного земледелия.
Теоретические исследования основывались на анализе многолетних (свыше 50 лет) материалов экспериментальных исследований и обобщении литературных данных по оценке влияния природных и антропогенных факторов на формирование стока. При этом анализировались данные, полученные при применении водно-балансовых методов: стоковых площадок и репрезентативных водосборов Экспериментальные исследования осуществлялись в стационарных опытах с применением метода стоковых площадок. Этот метод позволяет исследовать процесс формирования стока дифференцированно на различных почвах, видах угодий и пашни. Это очень важно учитывать при прогнозировании стока и принятии управленческих решений по его регулированию [9]. Для выявления роли природных факторов в формировании стока закладывались стоковые площадки шириной 20 м и длиной 100 м. При этом проводили снегомерные съемки, наблюдения и определения метеорологических показателей (температура, влажность воздуха, осадки, ветер, облачность и др.), промерзания, оттаивания, влажности почвы, стока талых вод, смыва почвы и др. Высоту снега измеряли снегомерной рейкой по профилям через 4 м в 3-5-ти кратной повторности, плотность снега - весовым снегомером через 20 м в 3-х кратной повторности. Глубину промерзания почвы определяли путем бурения скважин, выкопки шурфов и по мерзлотомерам Данилина, влажность почвы - термостатно-весовым методом на глубину до 50 см, 100 см, и 150 см через каждые 10 см. Сток талых
37
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
вод учитывали на треугольных водосливах с углом выреза 45о. Замеры стока на водосливах производили через час, а во время пика расхода - через полчаса. Все другие показатели определялись по общепринятым апробированным методикам. В исследованиях использовались статистический и генетический подходы. В своих исследованиях мы выявляем генезис явлений и процессов, находим причины их проявления, определяем факторы, на которые необходимо воздействовать, чтобы управлять этими процессами.
Результаты и обсуждение. На Новосильской зональной агролесомелиоративной опытной станции им. А. С. Козменко (ныне филиал ФНЦ агроэкологии РАН) в 1958 году были развернуты большие работы по изучению гидрологических процессов на серых лесных почвах лесостепи с целью разработки противоэрозионных мероприятий. Эти исследования проводятся до настоящего времени. В результате получен очень большой экспериментальный материал [2]. Анализ и обобщение его позволили сформулировать важные теоретические положения и практические выводы, уточняющие представления об эрозионно-гидрологическом процессе, которые позволили по-новому трактовать процесс инфильтрации талых вод в мерзлую почву. Они дают представление о закономерностях и особенностях формирования поверхностного стока и методах воздействия на него. Это позволит по-новому подойти к оценке гидрологического процесса на сельскохозяйственных угодьях и осуществить важные прикладные разработки.
В познании закономерностей формирования стока талых вод важное значение имеет выявление связи его с природными факторами и особенно со снегозапасами, так как очень часто объем поверхностного стока связывают с запасами воды в снеге на водосборе [7, 8, 10]. Чем больше снега, тем больший ожидают сток. Анализ существующих методов расчета стока показал, что большинство исследователей формирование весеннего стока справедливо рассматривают как многофакторный процесс [4, 6-9, 12]. Однако часто очень большая роль в формировании стока в этих уравнениях отводится снегозапасам [7], хотя учитываются и другие факторы, но им отводится небольшая роль. Некоторые связывают формирование стока только со снегозапасами [8, 11]. По данным других исследователей [3, 4, 7, 9, 13], поверхностный сток зависит от снегоза-пасов, глубины промерзания и влажности почвы, интенсивности таяния снега, температурного режима во время стока, рельефа и др. Таким образом, анализ материалов, характеризующих роль природных факторов в формировании поверхностного стока, не позволяет однозначно оценить ее.
Обобщение результатов наших исследований и многих поколений ученых Ново-сильской зональной агролесомелиоративной опытной станции им. А. С. Козменко - филиала ФНЦ агроэкологии РАН (Орловская обл.) за период с 1959 по 2015 гг. позволило дать аргументированную оценку роли природных факторов в формировании поверхностного стока талых вод с сельскохозяйственных земель. При этом использовались материалы Е. А. Гаршинёва (1959, 1960, 1964 и 1966 гг.); А. Т. Барабанова, М. М. Ломакина, Е. Я. Ту-больцева (1967-1975 гг.); Н. Е. Петелько (1976-1979 гг.); В. П. Борца (1980 г.); А. И. Петелько (1981-2016 гг.), В. П. Борца (1981-1984 гг.); А. Т. Барабанова, Ю. Н. Кобле-ва, А. И. Петелько, В. А. Ивановой (1985-2016 гг.). Было выявлено, что сток талых вод формируется под влиянием только трех природных факторов: глубины промерзания, влажности почвы и снегозапасов. Анализ роли этих факторов осуществлен в работе [1]. Здесь мы проанализируем влияние снегозапасов на формирование стока во взаимодействии с другими факторами, так как в литературе часто можно встретить ошибочный тезис об их решающей роли (таблица). Анализ данных, приведенных в таблице, показал, что прямой зависимости поверхностного стока талых вод от снегозапасов, т. е. больше снега - больше сток, нет. В многоснежные зимы (снегозапасы свыше 100 мм) сток на рых-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
лой пашне в отдельные годы (1959, 1967) формировался очень большой —108 и 146 мм при снегозапасах 146 и 186 мм, а в другие годы (1968, 1981) при снегозапасах 162 и 169 мм стока совсем не было. Так, из 25 многоснежных зим 11 лет сток не сформировался, а в остальные годы он был средний и очень большой. В малоснежные зимы при снегозапасах меньше 100 мм сток не сформировался 13 лет из 32, три года он был незначительный, а в остальные годы величина его была на среднем уровне при снегозапасах, варьирующих от 22 до 97 мм. Так, при запасах воды в снеге 86 и 91 мм сток не сформировался, а при снегозапасах 70 и 96 мм он был соответственно 51 и 96 мм. На уплотненной пашне величина стока также по годам колебалась независимо от снегозапасов. В многоснежные зимы, например, в 1959 г. при запасах воды в снеге 135 мм сток был 106 мм, в 1979 г. при таких же снегозапасах он был лишь 45 мм, в 1960 г. при снегозапасах в 150 мм величина стока составила 117 мм, а при снегозапасах 102-115 мм (2005, 2006, 2009 гг.) сток вообще не сформировался. В малоснежные зимы при запасах воды в снеге 91 и 97 мм стока не было, а при снегозапасах 49 мм сформировался сток 44 мм. В многоснежные годы сток отсутствовал 3 года из 24, а в малоснежные - 7 лет из 21. Парный корреляционный анализ связи стока со снегозапасами показал отсутствие прямой зависимости его от запасов воды в снеге. Коэффициент корреляции на рыхлой пашне составил 0,13, стандартная ошибка 38,4. На уплотненной пашне эти показатели были соответственно 0,43 и 35,4. Однако это не значит, что от снегозапасов величина стока не зависит. Средняя величина стока в многоснежные и малоснежные годы сильно различается. На рыхлой пашне в многоснежные годы она была 30 мм, а в малоснежные - 11 мм. На уплотненной пашне эти показатели были соответственно 45 и 20 мм, т. е. снегозапасы влияют на сток в значительной степени, но во взаимодействии с другими факторами - влажностью почвы и глубиной ее промерзания. Снегозапасы, особенно характер снегоотложения влияют на промерзание почвы.
Таблица - Влияние снегозапасов на формирование поверхностного стока талых вод на серых лесных почвах лесостепи, Орловская обл.
Table - Influence of snow reserves on the formation of surface runoff of meltwater on gray forest soils of forest-steppe, Oryol region
Снегозапасы перед Снегозапасы перед
снеготаянием + снеготаянием +
осадки за период осадки за период
Год / снеготаяния, мм Сток, мм / Год / снеготаяния, мм / Сток, мм /
Year /Snow cover before snowmelt + precipitation for the period of snowmelt, mm Runoff, mm Year Snow cover before snowmelt + precipitation for the period of snowmelt, mm Runoff, mm
1 2 3 4 5 6
Уплотненная пашня (многолетние травы,
Рыхлая пашня (зябь) / loose arable land (winter) озимые) / compacted arable land (perennial
grasses, winter crops)
Многоснежные зимы /Snowy winters
1959 146 108 1959 135 106
1960 136 81 1960 150 117
1963 116 61 1963 115 71
1964 121 58 1964 113 91
1967 186 146 1966 105 3
1968 169 0 1967 186 186
1970 192 83 1968 145 26
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
№ 3 (59) 2020 Продолжение таблицы
1 2 3 4 5 6
1971 154 52 1970 221 94
1976 137 0 1977 149 20
1977 138 12 1978 177 20
1979 128 37 1979 135 45
1980 135 29 1980 153 42
1981 162 0 1981 132 15
1982 100 2 1982 100 5
1985 128 0 1985 119 2
1987 149 27 1986 175 36
1988 118 21 1987 160 40
1994 139 40 1988 123 42
1995 114 0 1994 142 50
1999 144 0 1995 118 4
2005 115 0 2003 152 71
2006 137 0 2005 115 0
2010 106 0 2006 111 0
2011 122 0 2009 102 0
2013 122 0
Среднее/ Average value 137 30 Среднее / Average value 139 45
Малоснежные зимы /Snowless winters
1961 32 7 1961 22 12
1962 22 13 1962 23 21
1965 70 51 1965 60 46
1966 77 4 1969 80 51
1969 66 24 1971 81 39
1972 56 15 1972 56 15
1973 62 29 1973 53 31
1974 50 29 1974 49 44
1975 86 0 1975 89 0
1978 91 0 1976 89 0
1983 97 2 1983 91 27
1984 41 12 1984 67 18
1986 77 33 1989 52 0
1989 55 0 1990 49 25
1990 44 23 1991 89 52
1991 84 34 1992 85 0
1992 88 0 1993 45 14
1993 42 17 1996 89 26
1996 81 29 2004 97 0
1997 56 1 2007 62 0
1998 48 0 2008 83 0
2000 57 0 - - -
2001 81 0 - - -
2002 58 0 - - -
2003 96 46 - - -
2004 86 0 - - -
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Окончание таблицы
1 2 3 4 5 6
2007 79 0 - - -
2008 76 0 - - -
2009 97 0 - - -
2012 86 0 - - -
2014 35 0 - - -
2015 58 0 - - -
Среднее/ Average value 67 11 Среднее / Average value 67 20
Промерзание и увлажнение почвы также взаимосвязаны. Мерзлая почва способна удержать больше влаги, чем талая.
Анализ связи стока с влажностью почвы и глубиной ее промерзания показал, что на серых лесных почвах лесостепи она сложная и неоднозначная. Наибольшее влияние на сток оказывает глубина промерзания почвы. В годы, когда почва была талая или она промерзла не глубже 50 см, сток не формировался при широком диапазоне изменения уровней других факторов - запасов воды в почве и снеге. Запасы воды в почве (в слое 0-50 см) в эти годы колебались от 123 до 248 мм, в снеге - от 35 до 177 мм. При промерзании почвы свыше 50 см формируется сток разной величины, он зависит не от дальнейшего увеличения глубины промерзания почвы, а от уровня ее увлажнения и запасов воды в снеге. В годы с промерзанием почвы на глубину 52-182 см всегда формировался сток и величина его колебалась от 17 до 150 мм вне зависимости от глубины промерзания почвы. При глубине ее промерзания 182 см сток был 22 мм, при промерзании на 76 см сформировался сток 150 мм, при промерзании на глубину 165 см сток составил 46 мм, при глубине 80 см -55 мм и т. д. Парный коэффициент корреляции связи стока с глубиной промерзания составил всего 0,04, а стандартная ошибка - 32,2. В условиях глубокого промерзания почвы сток формируется в зависимости от запасов воды в почве и снеге. В почве запасы воды в эти годы колебались от 151 до 248, а в снеге - от 42 до 211 мм. Влагозапасы в почве как фактор стока следующим образом воздействуют на него при глубине ее промерзания свыше 50 см. В годы, когда запасы воды в слое почвы 0-50 см менее 123-129 мм, стока не было независимо от снегозапасов и глубины промерзания почвы. Запасы воды в снеге изменялись в широком диапазоне (51-113 мм), а глубина промерзания была большая (120-130 см). То есть, если в почве перед снеготаянием запасы влаги низкие, то даже при очень глубоком промерзании и больших снегозапасах она сохраняет высокую впитывающую способность и сток не формируется. Таким образом, лимитирующим фактором формирования стока в эти годы был уровень увлажнения почвы. Влажность почвы в этом случае играет активную роль в формировании стока, а снегозапасы - пассивную, то есть снегозапасы непосредственно на сток не влияют. Он зависит от запасов влаги в почве. Чем больше увлажнена почва, тем меньше снеговой воды идет на впитывание и тем больше - на формирование стока. От влажности зависит объем свободного порового пространства, которое обусловливает водопоглощение. Нами ранее было установлено, что усвоение мерзлой почвой влаги определяется дефицитом влажности оттаявшего до окончания снеготаяния слоя почвы, то есть почва способна усвоить количество снеговой воды, равное объему пор, не занятых почвенной влагой, а остальная талая вода стекает. Таким образом, снегозапасы непосредственно не влияют на инфильтрацию почвы, но от них зависит объем стекающей талой воды. Я здесь не рассматриваю влияние снежного покрова (характера снегоотложения) на глубину промерзания почвы как фактор формирования поверхностного стока талых вод.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Многолетние исследования за период с 1959 по 2015 год показали, что на рыхлой пашне сток 38 лет из 49-ти отсутствовал. Решающую роль в его отсутствии играли глубина промерзания и увлажнение почвы перед снеготаянием [1]. Из 52-х лет 34 года он отсутствовал в годы, когда глубина промерзания была меньше 50 см, 3 года - с низкими запасами влаги в почве при глубоком ее промерзании (свыше 50 см). В некоторые годы сток отсутствовал под влиянием двух факторов одновременно: глубины промерзания и запасов влаги в верхнем (0-50 см) слое почвы. В годы, когда формировался сток, глубина промерзания была всегда большая - 60-165 см. На уплотненной пашне сток отсутствовал 10 лет из 30-ти в годы, когда почва была талая или промерзала на небольшую глубину, - до 30 см. В годы, когда формировался сток, глубина промерзания почвы была большой, она колебалась от 55 до 150 см.
Все это подтверждается открытым мной законом лимитирующих факторов стока талых вод, суть которого состоит 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 [1].
Для условий с глубоким промерзанием почвы (свыше 50 см) множественный корреляционно-регрессионный анализ связи стока Уз ), Уп с запасами влаги в почве Wп и снеге перед снеготаянием Wс позволил получить следующие уравнения регрессии:
на рыхлой пашне ^ = 0,93, Мух = 12,4) Уз = -141 + 0,80Wп + 0,38 Wc , (1)
на уплотненной пашне (Я = 0,81, Мух = 13,3) Уп = -16,3 + 0,15 Wп + 0,34Wс. (2)
На рыхлой пашне коэффициенты уравнений и график на рисунке показывают, что сток в большей степени зависит от увлажнения мерзлой почвы, чем от запасов воды в снеге, а на уплотненной пашне - наоборот.
Рисунок - Трехмерная модель связи стока талых вод с запасами воды в почве и снеге
Figure - Three-dimensional model of the relationship between the melt water runoff and water reserves in soil and snow
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Связь стока с глубиной промерзания почвы в эти годы также отсутствует. Парный коэффициент корреляции составляет всего 0,13, а стандартная ошибка 42,5.
Расчет стока по уравнениям (1), (2) дает довольно близкую сходимость с экспериментальными данными.
Таким образом, на формирование стока талых вод на серых лесных почвах в лесостепи Русской равнины оказывают существенное влияние только три природных фактора: глубина промерзания почвы, ее увлажнение и снегозапасы перед снеготаянием.
Выводы. На основе многолетних исследований и обобщения материалов по влиянию на сток талых вод природных факторов на серых лесных почвах в лесостепи Русской равнины установлена роль снегозапасов во взаимодействии с другими природными факторами в его формировании. Важнейшими факторами формирования стока являются глубина промерзания почвы, ее увлажнение и снегозапасы перед снеготаянием. Влияние этих факторов на сток происходит в сложном взаимодействии. Снегозапасы напрямую не влияют на сток, но от их количества зависит его величина и связано это с глубиной промерзания и увлажнением почвы. Глубина промерзания специфически влияет на формирование стока. Если почва талая или она промерзла на глубину не более 50 см, то сток не формируется, так как она обладает высокой впитывающей способностью, обеспечивающей поглощение всей снеговой воды. При промерзании почвы свыше 50 см сток совсем не зависит от ее глубины, он формируется в зависимости от запасов влаги в верхнем (0-50 см) слое почвы и запасов воды в снеге. При этом роль снегозапасов зависит от степени увлажнения почвы. Разработанные регрессионные уравнения зависимости стока от этих факторов на разных видах пашни (зябь, озимые, многолетние травы и др.) позволяют по-новому подойти к оценке гидрологического процесса и осуществить важные прикладные разработки.
Библиографический список
1. Барабанов А. Т. Эрозионно-гидрологическая оценка взаимодействия природных и антропогенных факторов формирования поверхностного стока талых вод и адаптивно-ландшафтное земледелие. Волгоград: ФНЦ агроэкологии РАН, 2017. 188 с.
2. Барабанов А. Т., Петелько А. И Прогнозирование поверхностного стока талых вод с сельскохозяйственных угодий в лесостепной части бассейна Волги // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2018. № 4 (52). С. 1-7. DOI 10.32786/2071-9485-2018-04-5
3. Долгов С. В., Коронкевич Н. И., Барабанова Е. А. Современные изменения поверхностного стока и инфильтрации талых вод на сельскохозяйственных угодьях в лесостепной и степной зонах Русской равнины и их последствия // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2018. № 4. С. 78-91.
4. Комиссаров М. А., Габбасова И. М. Эрозия почв при снеготаянии на пологих склонах в южном Предуралье // Почвоведение. 2014. № 6. С. 734-743.
5. Коронкевич Н. И., Георгиади А. Г., Ясинский С. В. О гидрологических изменениях // Вопросы географии. 2018. № 145. С. 739-744.
6. Моделирование процессов противоэрозионного земледелия и агролесомелиорации / А. В. Панфилов [и др.] // Аграрный науч. журн. 2017. № 9. С. 19-23.
7. Мухин В. М. Методы прогнозирования притока воды в водохранилища за период весеннего половодья // Труды Гидрометцентра России. Гидрометеорологические прогнозы. 2014. Вып. 351. С. 108-140.
8. Оценка влияния изменений климата на водный режим и сток рек бассейна Волги / Н. И. Алексеевский [и др.] // Вода: химия и экология. 2013. № 4. С. 3-12.
9. Панов В. И. Потери атмосферных осадков с незащищённых полей в степном засушливом субрегионе, их существенное снижение и стабилизация гидроресурсного потенциала земледелия созданием лесомелиорированных (лесоаграрных) бассейновых агроэколандшафтов // Известия Самарского научного центра РАН. 2016. Т.18. № 2(2). С. 472-478.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
10. Шабаев А. И. Эрозия почв и адаптивно-ландшафтное земледелие: избранные труды. Саратов: НИИСХЮВ, 2017. 648 с.
11. Шеппель П. А. Специальный весенний попуск паводковых вод Волги. Волгоград: Нижне-Волжское кн. изд-во, 1990. 191 с.
12. Pimentel D., Burgess M. Soil erosion threatens food production // Agriculture. 2013. №3(3). Р. 443-463.
13. Surface runoff and snowmelt infiltration into the soil on plowlands in the forest-steppe and steppe zones of the east European plain / A. T. Barabanov, S. V. Dolgov, N. I. Koronkevich, V. I. Panov, A. I. Petelko // Eurasian Soil Science. 2018. V. 51. № 1. P. 66-72.
Conclusion. Based on years of research and synthesis of materials to influence the flow of melt water of natural factors on gray forest soils in forest-steppe of the Central-Chernozem zone the role of snow cover in interaction with other natural factors in his Fort formation.
The most important factors in the formation of runoff are snow reserves, moisture and the depth of freezing of the soil before snowmelt. The influence of these factors on the flow occurs in a complex interaction. Snow reserves do not directly affect runoff, but their amount depends on its value and this is due to the depth of freezing and soil moisture. The depth of freezing specifically affects the formation of runoff. If the soil is thawed or frozen to a depth of no more than 50 cm, the runoff is not formed, since it has a high absorption capacity that ensures the absorption of all snow water. When the soil freezes over 50 cm, the runoff does not depend on its depth at all, it is formed depending on the moisture reserves in the upper (050 cm) layer of the soil and the water reserves in the snow. The role of snow reserves depends on the degree of soil moisture.
The developed regression equations of the flow dependence on these factors on different types of arable land (winter, winter, perennial grasses, etc.) allow us to take a new approach to the assessment of the hydrological process and implement important applied developments.
References
1. Barabanov A. T. Erosive-hydrological assessment of the interaction of natural and anthropogenic factors in the formation of surface runoff of meltwater and adaptive landscape agriculture. Volgograd: Federal research CENTER of Agroecology RAS, 2017. 188 p.
2. Barabanov A. T., Petelko A. I. Forecasting of surface runoff of TA-ly waters from agricultural lands in the forest-steppe part of the Volga basin // Izvestiya nizhnevolzhskogo agrouniversi-tetskogo complex: science and higher professional education. 2018. No. 4 (52). P. 1-7. DOI 10.32786/2071-9485-2018-04-5
3. Dolgov S. V., Koronkevich N. I., Barabanova E. A. Modern changes in surface runoff and infiltration of meltwater on agricultural land in the forest-steppe and steppe zones of the Russian plain and their consequences // Water management in Russia: problems, technologies, management. 2018. No. 4. P. 78-91.
4. Komissarov M. A., Gabbasova I. M. Soil erosion during snowmelt on the polar slopes in the southern Urals // Pedology. 2014. No. 6. P. 734-743.
5. Koronkevich N. I., Georgiadi A. G., Yasinsky S. V. About hydrological changes // Questions of geography. 2018. No. 145. P. 739-744.
6. Modeling of processes of anti-erosion agriculture and agroforestry / A. V. Panfilov, P. N. Proezdov, A. V. Rozanov, A. V. Karpushkin // Agrarian scientific journal 2017. No. 9. P. 19-23.
7. Mukhin V. M. Methods of forecasting water inflow to reservoirs during the spring flood // Proceedings Of The Hydrometeorological Center Of Russia. Hydrometeorological forecasts. 2014. Issue 351. P. 108-140.
8. Assessment of the impact of climate change on the water regime and flow of rivers in the Volga basin / N. I. Alekseevsky, N. P. Frolova, M. M. Antonova, M. I. Igonina // Water: chemistry and ecology. 2013. No. 4. Pp. 3-12.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
9. Panov V. I. Losses of atmospheric precipitation from unprotected fields in the steppe arid sub-region, their significant reduction and stabilization of the hydro-resource potential of agriculture by the creation of forest-reclaimed (forest-agrarian) basin agroecolandscapes// Proceedings of the Samara scientific center of the Russian Academy of Sciences. 2016. Vol. 18. No. 2 (2). P. 472-478.
10. Shabaev A. I. Selected works. Soil erosion and the adaptive-landscape agriculture. Saratov: YISHUV, 2017. 648 p.
11. Sheppel P. A. Special spring release of flood waters of the Volga. Volgograd: Nizhne-Volzhskoe publishing house, 1990. 191 p.
12. Pimentel D., Burgess M. Soil erosion threatens food production // Agriculture. 2013. №3(3). Р. 443-463.
13. Surface runoff and snowmelt infiltration into the soil on plowlands in the forest-steppe and steppe zones of the east European plain / A. T. Barabanov, S. V. Dolgov, N. I. Koronkevich, V. I. Panov, A. I. Petelko // Eurasian Soil Science. 2018. V. 51. № 1. P. 66-72.
Authors Information
Barabanov Anatoly Timofeyevich, chief scientific officer-head of the laboratory for soil protection from erosion Federal Scientific Centre of Agroecology, Complex Melioration, and Protective Afforestation, Russian Academy of Sciences (Russia, 400062, Volgograd, pr. Universitetsky, 97), doctor of agricultural sciences, bara-banov-a@vfanc.ru
Информация об авторе
Барабанов Анатолий Тимофеевич, главный научный сотрудник - заведующий лаборатории защиты почв от эрозии ФНЦ агроэкологии РАН (РФ, 400062, г. Волгоград, пр-т Университетский, 97), доктор сельскохозяйственных наук, barabanov-a@vfanc.ru
DOI: 10.32786/2071-9485-2020-03-04 CRITICAL TECHNOLOGIES FOR THE DEVELOPMENT OF PREVIOUS LAND FOR ORGANIC PRODUCTION
V. A. Shevchenko, V. V. Borodychev, M. N. Lytov
Federal State Budget Science Center «All-Russian Scientific Research Institute of Hydrotechnics and Land Reclamation named after A.N. Kostyakov»
Received 10.07.2020 Submitted 02.09.2020
Summary
The possibility and prospects of the development of long-term unused, including the former reclaimed lands for the production of organic products, are being investigated. Conditions are formalized for optimizing a package of critical technologies in solving this problem based on a system of target and technological functions.
Abstract
Introduction. The development of previously abandoned, including the former reclaimed agricultural land for the production of organic farming products is one of the promising options for solving the problem of unused lands in Russia. Organic agriculture, as well as the features of land development with long-term uncontrolled successions, impose special requirements on the agricultural technologies used. This is especially true of technologies related to ensuring the phytosanitary purity of crops, regulating the regime of mineral nutrition and expanded reproduction of soil organic matter, as well as solving the problem of optimal water supply for crops. These areas are unique in terms of the range of requirements for technologies, and the technologies themselves can rightfully be considered «critical» in the development of long-term unused agricultural lands for the production of organic products. Object. The object of research is technologies and complexes of agricultural technologies used for the production of organic products, taking into account the peculiarities of the development of not used for a long time, including the former reclaimed agricultural lands. Materials and methods. The aim of the research is to formalize the conditions for optimizing the package of critical technologies for the development of previously abandoned lands for the production of organic products. The research methodology is based on the analysis of available technologies used in accordance with the principles
