CC BY
13
УДК 631.432.4:631.459.2 DOI 10.34736^ЫС.2019.107.4.002
УРАВНЕНИЯ ВОДНОГО БАЛАНСА ТАЛЫХ ВОД ЛЕСОМЕЛИОРИРОВАННЫХ АГРОЦЕНОЗОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭРОЗИОННО-ГИДРОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
В.И. Панов, ведущий научный сотрудник, к. г. н., aglos163@mail.ru - Поволжская АГЛОС -филиал ФНЦ агроэкологии РАН, Самарская область, Волжский район, пос. Новоберёзовский, РФ
Степной пояс России, включающий в себя лесостепь, степь и сухую степь, обладает высоким природно-ресурсным потенциалом для успешного ведения сельскохозяйственного производства, однако здесь проявляется хронический дефицит влаги с частыми засухами, приводящими к значительной и даже полной потере урожая. Перед сельскохозяйственной наукой стоит задача повышения биопродуктивности и устойчивости ведения сельского хозяйства.
В работе рассматривается водный баланс с позиции увеличения приходной части и рационального использования расходной части.
Показаны результаты теоретических и экспери-
Огромный степной пояс России, включающий в себя лесостепь, степь и сухую степь, является главной житницей нашей страны. Он обладает высокоплодородными почвами, достаточным количеством солнечной энергии. Но хронический дефицит влаги с частыми засухами приводит к значительной и даже полной потере урожая.
В истории России можно назвать десятки таких засух (1833, 1841, 1855, 1873, 1891, 1921, 1931, 1947, 1962, 1972, 1975, 1998, 2010 годы), когда они приводили к потере урожая и возникновению угрозы голода. Перед сельскохозяйственной наукой первоочередной задачей является повышение биопродуктивности и устойчивости ведения сельского хозяйства. На ее решение направлена деятельность многих учёных и научных направлений, таких как климатология, география, метеорология, почвоведение, гидрология, эрозиоведение, гидромелиорация, лесомелиорация, ландшафтоведение и многие другие. Ученые обращают внимание аграриев на привлечение к практическому агроприродопользо-ванию перспективных природоподобных методологий, технологий.
Материалы и методика исследований. Экспериментальные исследования водного баланса талых вод проводились в специально созданных экспериментально-эталонных (модельных) бассейновых ландшафтах (незащищённый агроценоз, лесомелиорированный агролесоценоз) на территории опытно-экспериментального хозяйства Поволжской АГЛОС на чернозёмах Самарского Заволжья, расположенного в Волжском районе Самарской области. Опытные ландшафтные объекты исследовались водно-балансовым методом, для чего были оборудованы стоковые площадки и опытные водосборы, оснащённые измерительными водосливами с тонкой стенкой (водосливы Томпсона) и самописцами уровня «Валдай М». На объектах проводился полный комплекс водо-балансовых наблюдений: определения влажности почвы, маршрутные измерения снежного покрова в конце зимы с определением высоты, плотности и влагозапаса в снеге, учет поверхностного стока, определение инфильтрации талой воды в почву моделирование сублимации снега и другие гидрологические элементы водного баланса талых вод.
ментальных исследований по использованию уравнений водного баланса талых вод незащищённых и лесомелиорированных агроценозов в качестве алгоритмов (моделей) связи приходно-расходных элементов баланса и применения ландшафтных кластеров (защитно-мелиоративного степного лесоразведения) воздействия на них для целенаправленного управления эрозионно-гидрологическими процессами.
Ключевые слова: водный баланс, поверхностный сток, инфильтрация, атмосферные осадки, сублимация снега, ветро-метельный снос-перенос снега, физическое испарение, эрозия, агроценозы, лесомелиорация, степное лесоразведение.
Результаты и их обсуждение. Первоочередной проблемой коренного улучшения ведения сельского хозяйства в засушливом степном поясе является недостаток воды. В данной работе мы коснёмся лишь некоторых важных сторон и направлений решения этой огромной и важнейшей проблемы современности. Пока, к сожалению, вопросам сельскохозяйственной гидрологии уделяется недостаточно внимания. В данной работе рассмотрим водный баланс талых вод степного незащищённого агроценоза (без лесных лесополос) и лесомели-орированного, находящегося под защитой контурных стокорегулирующих лесных полос (расстояние между полосами 200-350 м). Особый интерес представляют уравнения водного баланса агролан-дшафтов разной степени защищённости, который зависит от особенностей ландшафтных свойств биогеоценозов. Общее уравнение водного баланса талых вод имеет вид:
Ws + Wt = Ft + St + Et (1)
где: Ws - атмосферные осадки в виде снега (сне-гозапасы) мм;
Wt - атмосферные осадки периода снеготаяния, мм;
I - инфильтрация (впитывание) талой воды в почву, мм;
F - задержание талой воды на поверхности почвы, мм;
S - поверхностный сток, мм;
Et - физическое испарение за период снеготаяния, мм (знак t указывает продолжительность снеготаяния).
Это уравнение позволяет в сбалансированном виде увидеть приходную часть поступающей на участок воды (левая часть уравнения) и трансформацию этой влаги во времени и пространстве (в правой части).
Из уравнения видно, что атмосферные осадки холодного зимнего периода W, сохранившиеся в условном биогеоценозе на начало весны, весной (в период снеготаяния) растаяли и к дате полного схода снега трансформировались в талую воду с последующими процессами впитывания I, поверхностного задержания F в неровностях рельефа, формирования поверхностного стока S и непродук-
тивных потерь в виде физического испарения Et за период полного схода снега.
Полученные общие представления о водном балансе нам позволяют перейти к рассмотрению водного баланса конкретных биоценозов, характерных для засушливого степного пояса Самарского Заволжья, к ним относятся:
а) склоновое природное суходольное выпасаемое пастбище с уплотненным верхним (0-30 см) почвенным слоем и ежегодно «стравленным травостоем;
б) степное незащищённое от ветров, суховеев и метелей пахотное поле (без лесных полос), весной обычно представленное отвальной зяблевой пашней и, реже, озимыми;
в) лесозащищённое поле с рационально распределёнными полосными лесными насаждениями;
г) лесной массив, имеющий значительную высоту и особую внутреннюю структуру барьерно-ру-бежного типа (внутри сомкнутого леса нет ветро-метельной проточности).
Лесные защитные полосы были предложены для защиты полей в степи в качестве природоподобных барьеров и рубежей от суховейных ветров и метелей. Лесомелиорированное поле является более устойчивым и биопродуктивным, соответствуя зо-
Два первых биогеоценоза относятся к типичным степным не защищённым от ветров и метелей. Они подвержены их влиянию в течение всего осенне-зимне-весеннего периода (5-6 месяцев), что существенно отражается на сохранности выпавших атмосферных осадков. При ветровом обдуве выделяется дополнительная тепловая и механическая энергия, усиливающая физическое непродуктивное испарение влаги. В лучшем положении находится целинная степь с травостоем и степной подстилкой. Травостой и степной войлок исполняют роль защитного мульчирующего покрытия, которое защищает от испарения. Выпасаемое пастбище, в отличие от целинной первозданной степи, имеет сильно ослабленную напочвенную травянистую защиту. В самом худшем положении находится отвальная зяблевая пашня. Почва на ней разрыхлена и оголена, потери на физическое испарение здесь наибольшие. В холодный зимний период при ветрах и метелях (позёмки, верховые метели), происходит снос, перенос и сублимация (возгонка или испарение молекул воды с поверхности снежинок и ледяных кристаллов) [2].
По нашим многолетним исследованиям снежного покрова в разных ценозах и ландшафтах в степи [5, 6], непродуктивные потери снега с незащищён-
нально-географическим признакам ландшафта лесостепного типа.
Наши многолетние теоретические и экспериментальные исследования элементов водного баланса талых вод в различных ценозах и ландшафтах в засушливой чернозёмной степи Самарского Заволжья позволили получить новые данные о водном балансе талых вод и методах целенаправленного воздействия, изменения и управления эрозионно-гидрологическими процессами в агроценозах и в ка-тенно-бассейновых агроэколандшафтах.
Экспериментальные исследования проводились в специально созданных модельно-эксперименталь-ных ландшафтах с использованием водно-балансового метода, стоковые площадки и опытные водосборы [5,6].
Эти модельно-образцовые степные ландшафты были оборудованы в виде опытных (экспериментальных) водно-балансовых водосборов и в течение многих лет на них велись эрозионно-гидрологиче-ские исследования элементов водного баланса талых вод (таблица). На основе анализа полученных многолетних данных удалось внести корректирующие дополнения почти по каждому приходно-расходному элементу, уточнить физическую сущность их составляющих.
ных агроценозов значительны и, в среднем, к концу зимы в Самарском Заволжье достигают 40-75 мм и больше; при этом доминируют потери на сублимацию (75-85%).
Два других ценоза относятся к лесным и агроле-созащищённым. Лесной массив и стокорегулирую-щие лесные полосы, имея значительную высоту, являются высотными барьерами или преградами на пути ветров и метелей, снижая их скорость, вызывая турбулентные завихрения и гашение их взвес-енесущей энергетической способности. При оптимизированной лесомелиоративной защите [6, 7] на лесозащищённых полях сохраняется 80-90% выпавшего снега, на 17-23% и больше снижается величина непродуктивного физического испарения и на транспирацию выращиваемых сельхозкультур.
Полученные экспериментальные данные [5, 6] позволили внести существенные дополнения в уравнения водного баланса талых вод. В степном засушливом поясе, при хроническом дефиците влаги, всё должно быть направлено на ее накопление, сбережение и продуктивное использование, на увеличение приходных элементов водного баланса (осадков, инфильтрации, временного поверхностного задержания) и сокращения непродуктивных расходных элементов (сублимации, сноса-переноса
Таблица - Среднемноголетние основные элементы водного баланса талых вод эталонных степных биогеоценозов на обыкновенных глинистых чернозёмах Самарского степного Заволжья
Наименование опытных водосборов Снегозапасы воды+ осадки периода таяния (мм) Впиталось в почву (мм) Поверхностный сток (мм) Коэффициент стока Смыв почвы (м3/га)
Пастбище выпасаемое 118 61 57 0,48 0,14
Поле незащищённое 144 127 17 0,12 1,07
Лесомелиорированное поле 173 138 15 0,09 0,35
Лесной массив 188 188 0 0 0
Примечание. В графе «Впиталось в почву (мм)» данные приведены без учёта слоя испарившейся воды с поверхности почвы и снега за период снеготаяния.
снега, поверхностного стока, физического испарения). Гидрологическое благополучие ценоза определяется величиной впитавшейся и временно поверхностно задержанной (в ёмкостях и замкнутых понижениях рельефа) в нём снеговой талой воды (I + Б): I + Б = /dZko, S, Е, V) (2)
где: I - инфильтрация талых вод в почву; W - влагозапас в снежном покрове; S - поверхностный сток; Е - непродуктивное физическое испарение;
V - ветро-метельная сублимация-возгонка и снос снега; dZko - остаточный влагозапас (на начало осени гидрологического года) в корнеобитаемом слое (0-100 см);
Исходя из этого уравнения, для улучшения гидрологического благополучия ценоза необходимо обеспечивать лучшее задержание и накопление атмосферных осадков, сокращать поверхностный сток, непродуктивное физическое испарение, снос-перенос и сублимацию-возгонку. Сама природа сухой степи и её самоорганизованные степные коренные экосистемы частично делают это: формируют мульчирующий степной войлок и многолетний травянистый покров для снижения физического испарения, снижения глубины промерзания почвы и повышения скорости инфильтрации, что обеспечивает снижение величины поверхностного стока, защиту почвы от эрозии и потерь плодородия.
По результатам наших многолетних исследований удалось выявить существенные различия в уравнениях водного баланса и составляющих их элементов в приходных и в расходных его частях. Отметим выявленные и внесённые нами в соответствующие уравнения следующие существенные изменения.
А. Уравнение водного баланса для степного склонового участка с целинной разнотравно-злаковой естественной растительностью:
dZko + Wzt + dW = I + S + Б + dE + V (3) где: Wzt - влагозапас в снежном покрове в конце зимы целинной степи;
dZko - остаточный влагозапас (на начало осени гидрологического года) в корнеобитаемом слое (0100 см);
dW - осадки периода снеготаяния; I - инфильтрация талых вод в почву; S - поверхностный сток;
Б - временное поверхностное задержание (аккумуляция);
dE - физическое испарение в период снеготаяния;
V - ветро-метельная сублимация-возгонка и снос-перенос снега.
Естественная целинная степь как эволюцион-но-исторически самоорганизованный зонально-географический ландшафт сохраняет приходные элементы водного баланса талых вод и снижает расходные элементы.
Б. Уравнение водного баланса талых вод для естественного степного склонового (суходольного) выпасаемого пастбища:
dZkop + Wztp + dW = ф + Sp + Бр + dEp + Vp (4) где: dZkop - остаточный влагозапас на начало осени гидрологического года в корнеобитаемом слое (0-100 см) на пастбище;
Wztp - влагозапас в снежном покрове в конце зимы на пастбище; dW - осадки периода снеготаяния; !р - инфильтрация талых вод на пастбище;
Sp - поверхностный сток на пастбище; Бр - поверхностное задержание талых вод на пастбище; dEp -физическое испарение в период снеготаяния; Vp -ветро-метельная сублимация и снос-перенос снега на пастбище.
Защитный влагонакопительный эффект целинной степи в значительной степени потерян (см. таблицу). Здесь отмечаются большие потери снежного покрова на сублимацию и снос, малые остаточные запасы в корнеобитаемом слое, большой поверхностный сток и потери на физическое испарение.
В. Уравнение водного баланса для незащищённого степного агроценоза с яровыми зерновыми культурами:
dZkor + Wzr + dWr = к + Sr + Бг + dEr + ^ (5) где Wzr - влагозапас в сохранившемся к концу зимы на поле снеге; значительная его часть непродуктивно потеряна в результате ветро-метельной сублимации и сноса-переноса снега (^);
dZkor - остаточный почвенный влагозапас в кор-необитаемом слое почвы (0-100 см) на начало осени гидрологического года;
dWr - осадки за период снеготаяния; Sr - поверхностный сток;
к - инфильтрация; Бг - временное поверхностное задержание талых вод;
dEr - физическое испарение за период снеготаяния; ^ - ветро-метельная сублимация-возгонка и снос-перенос снега.
Гидрологическая обеспеченность незащищённого степного агроценоза:
к + БГ = Wzr + dWr + dZkor + Sr + ^ + dEr (6)
где Wzr - влагозапас в сохранившемся к концу зимы на поле снеге; значительная его часть непродуктивно потеряна в результате ветро-метельной сублимации и сноса-переноса снега (^);
dZkor - остаточный почвенный влагозапас в корнеобитаемом слое почвы (0-100 см) на начало осени гидрологического года;
dWr - осадки за период снеготаяния; Sr - поверхностный сток; к - инфильтрация; Бг - временное поверхностное задержание талых вод;
dEr - физическое испарение за период снеготаяния; ^ - ветро-метельная сублимация-возгонка и снос-перенос снега.
Исходя из имеющихся результатов многолетних водно-балансовых (см. таблицу) и снегомерных исследований эффектов ветро-метельной сублимации и зимнего сноса-переноса снега в различных незащищённых агроэколандшафтах, весенняя послестоковая гидрологическая ситуация для незащищённого поля складывается не совсем благополучно: сильная ветро-метельная его продуваемость приводит к очень большим потерям снега по всем расходным статьям уравнения водного баланса талых вод - прежде всего, из-за больших потерь на ветро-метельную сублимацию-возгонку и снос-перенос снега (в среднем, 40-75 мм и больше). Высокая продуваемость незащищённого агроцено-за сокращает осенние остаточные влагозапасы в корнеобитаемом (0-100 см) слое из-за более ускоренного испарения при более сильном ветре. Часть воды испаряется более интенсивно при ветровом обдуве с поверхности снега и с переувлажнённой поверхности пашни, освободившейся от снега. В целом незащищённый агроценоз всегда, к началу весенних полевых работ, имеет значительно меньше влаги, чем лесозащищённый.
Г. Для лесомелиорированного агроценоза или агроландшафта (защищённого от сквозного продувания ветрами и метелями) уравнение водного баланса имеет вид:
dZkof + Wzvf + dWhf + dWf = К + Ff + Sf + dEf (7)
где dZkof - остаточный почвенный влагозапас (с осени гидрологического года) в корнеобитаемом слое (0-100 см) лесозащищённого поля; Wzvf - вла-гозапас в снеге лесомелиорированного агроценоза; dWhf-дополнительно выявленный высотно-гидро-метеорологический осадкоповышающий ресурс ле-сомелиорированного поля; dWf - осадки за период снеготаяния для лесомелиорированного поля; ^ -повышенная инфильтрация на защищённом поле (с меньшей глубиной промерзания; Sf - поверхностный сток с лесомелиорированного поля; dEf - непродуктивное физическое испарение с поверхности снега и оттаявшей, освобождённой от снега почвы лесомелиорированного поля.
Составляющие элементы уравнения водного баланса талых вод в лесозащищённом агроценозе (7), по многолетним экспериментальным исследованиям (см. таблицу), в модельных опытных лесо-мелиорированных агроценозах существенно более благоприятны в гидрологическом плане, чем в незащищённом степном [6, 7]. Общая величина дополнительного сохранённого влагозапаса в снеге от предотвращённых непродуктивных потерь может составить 60-85 мм.
Многолетними снегомерными исследованиями, нами впервые в отечественном и зарубежном сне-говедении установлена численная величина сублимации и снегопереноса для степного Среднего Поволжья. За зимний период она составляет в разные годы 45-75 мм. Это очень большие потери влаги с незащищённого продуваемого агроценоза. При весенней засухе такое поле с яровыми зерновыми недоберёт в итоге 4-8 ц/га зерна. Как видно из экспериментальных данных (см. таблицу), защитно-мелиорирующая роль систем полезащитно-сто-корегулирующих лесных полос не ограничивается только снегомелиорирующим эффектом.
При расположении лесной полосы на пересечённом рельефе поперёк склона, контурно, в приближении к горизонталям местности - лесная полоса превращается в 3D-мерную барьерно-рубежную ландшафтную (ландшафтопреобразующую) систему, которая непрерывно живет, изменяется и функционирует не только в пространстве, но и во времени. Такая оптимально пространственно-распределённая защитно-мелиорирующая система лесополос становится барьерами на пути полифазных аэродинамических потоков, снижая их скорость и взвесенесущую способность. При контурном размещении лесная полоса становится рубежом перехвата поверхностного стока, его задержания и поглощения. Водопоглотительный и противоэро-зионный эффект контурной лесной полосы существенно возрастает при сочетании её с простейшими гидротехническими устройствами - валами, канавами, щелями, дренами [1, 3, 4, 5, 7].
Заключение. На лесозащищённом поле, в лесо-мелиорированной агроландшафтной катенно-бас-сейновой системе, коренным образом изменяются и частично преобразуются все элементы водного баланса талых вод в сторону повышения приходных статей баланса (осадки, инфильтрация, продуктивный транспирационный расход, гидрометеорные явления) и снижаются непродуктивные расход-
ные элементы (ветро-метельная сублимация-возгонка снега, поверхностный сток, непродуктивное физическое испарение). В лесомелиорированных агроценозах и агроэколандшафтах проявляются новые гидрофизические и гидрологические явления и эффекты - сублимационно-снегопереносные, осадкоповышающий высотно-поясный гидрометеорологический (топографический). Ландшафт-но-кластерное природоподобное воздействие (Докучаевский принцип, методология) на элементы водного баланса талых вод экспериментально доказано. Он открывает большие возможности не только активно влиять, но и целенаправленно управлять эрозионно-гидрологическими процессами в катенно-бассейновых агроэкоценозах и аг-роэколандшафтах. Уточнены уравнения водного баланса талых вод для незащищённых и лесозащи-щённых полей (агроценозов) и агроландшафтов.
Литература:
1. Докучаев В.В. Наши степи прежде и теперь (1892). М.-Л., ОГИЗ-Сельхозгиз, 1936. - 118 с.
2. Дюнин А.К. В царстве снега. - Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1983 - 161 с.
3. Козменко А.С. Основы противоэрозионных мелиора-ций / А.С. Козменко. - М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1954. - 424 с.
4. Сурмач Г.П. Водная эрозия и борьба с ней. Гидроме-теоиздат, Ленинград, 1976. - 254 с.
5. Панов В.И. Потери атмосферных осадков с незащищённых полей в степном засушливом субрегионе, их существенное снижение и стабилизация гидроресурсного потенциала земледелия созданием лесомелиорирован-ных (лесоаграрных) бассейновых агроэколандшафтов // Изд-во Самарского научн. центра РАН, 2016. - Т. 18. - № 2 (2). - С. 472-478.
6. Панов В.И. Кластерно-синергетическое влагосбере-гающее агроприродопользование с лесофитомелиора-циецией // Известия Нижневолжского агроуниверситет-ского комплекса. Агрономия и лесное хозяйство, 2012, - № 2 (23). - С. 67-73.
7. Кочетов И.С., Барабанов А.Т. Гаршинёв Е.А., Панов В.И. и др. Агролесомелиоративное адаптивно-ландшафтное обустройство водосборов. Волгоград, ВНИАЛМИ, 1999. -84 с.
WATER BALANCE EQUATIONS OF MELTWATER OF FOREST-RECLAIMED AGROCENOSES FOR MODELING AND CONTROL OF EROSION-HYDROLOGICAL PROCESSES
V. I. Panov, leading research scientist, candidate of geographical science, aglos163@mail.ru - Volga-area agroforestry experimental station - affiliate of FSC of agroecology RAS, Samara region, Volzhsky district,
Novoberyozovskiy rural settlement, Russian Federation
The steppe zone of Russia, which includes forest-steppe, steppe and dry steppe, has a high natural - resource potential for successful agricultural production, but there is a chronic shortage of moisture with frequent droughts, leading to significant and even complete loss of harvest. Agricultural science faces the challenge of increasing bio-productivity and agriculture sustainability. The water balance is considered from the position of increasing the input part and the rational use of the consumable part. It shows the results of theoretical and experimental studies in terms of the use of the equations of water balance of meltwater of unprotected and forest-reclaimed agrocenoses as algorithms (models) of the connection of input and output the elements of the balance and the use of landscape clusters (protective-meliorative steppe afforestation), and the influence on them for purposeful management of erosion and hydrological processes.
Key words: water balance, surface runoff, infiltration, atmospheric rainfall, sublimation of snow, blizzard-windy removal and transfer of snow, physical evaporation, erosion, agrocenoses, forest reclamation, steppe afforestation
