CC BY
56
Влияние стокорегулирующих лесополос на природные факторы эрозионно-гидрологического процесса
А.Т. Барабанов, д.с.-х.н., Р.Д. Балычев, н.с., А.В. Кулик,
к.с.-х.н., ФГБНУ ВНИИ агролесомелиорации; М.М. Коч-карь, к.с.-х.н., ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ
В настоящее время проблема регулирования поверхностного стока талых вод очень актуальна
для нашей страны. Для управления эрозионногидрологическим процессом (ЭГП) необходимо знание его закономерностей. А.Т. Барабанов сформулировал и апробировал закон лимитирующих факторов стока, который позволяет управлять ЭГП [1, 2]. Были определены и природные факто-
ры, наиболее существенно влияющие на него. Это снегозапасы, глубина промерзания и влажность почвы. Остальные факторы (продолжительность и интенсивность снеготаяния, крутизна и экспозиция склона и др.) на величину стока влияют слабо, и их можно не учитывать.
Закон лимитирующих факторов поверхностного стока талых вод формулируется так: «При некотором (лимитирующем) значении одного из трёх факторов (снегозапасы, глубина промерзания и влажность почвы) сток не формируется независимо от уровня двух других». Определены максимальные значения природных факторов, при которых сток не формируется. На юге Центрального района Нечернозёмной зоны (ЦРНЗ), в ЦентральноЧернозёмных областях (ЦЧО) и Поволжье, если почва талая или промёрзла до глубины не более 30—50 см, стока не бывает независимо от уровня её увлажнения и снегозапасов. Дальнейшее увеличение глубины промерзания почвы выше лимитирующего уровня не влияет на величину стока, т.е. при любой глубине промерзания выше лимитирующей он формируется одинаковый при одинаковых уровнях других факторов. Решающее влияние на него в этом случае оказывают влагозапасы в почве и снеге. При увлажнении верхнего (0—50 см) слоя почвы до уровня менее 120—130 мм на юге ЦРНЗ и 70—95 мм в Нижнем Поволжье сток не формируется независимо от глубины промерзания почвы и снегозапасов, т.е. в данном случае лимитирующим фактором является увлажнение почвы.
Для планирования мер по управлению эрозионно-гидрологическим процессом необходимо знать по зонам страны и по годам уровни варьирования природных факторов, влияющих на поверхностный сток. Нами был обобщён материал, создан банк данных и осуществлён их вариационностатистический анализ (табл. 1). Он показал, что во всех исследуемых районах они изменяются в широком диапазоне, причём находятся, как правило, на высоком уровне. Общее закономерное изменение их происходит при движении с севера на юг. Например, снегозапасы на уровне 50-процентной вероятности превышения составляют: на юге ЦРНЗ — 120 мм, в ЦЧО — 71—82 мм и в Поволжье — 42—66 мм. Снегозапасы 10-процентной вероятности превышения колеблются от 183 мм на юге ЦРНЗ до 77—116 мм в Поволжье.
Влагозапасы в почве перед снеготаянием 50-процентной вероятности превышения (в слое 0—50 см) на юге ЦРНЗ составляют 163 мм, в ЦЧО — 181—183 мм, в Нижнем Поволжье — 72—78 мм, а 10-процентной обеспеченности — 203 мм, 222—233 мм, 101—115 мм соответственно. Уровень влагозапасов, при которых сток не формируется, в ЦРНЗ (120 мм и менее) бывает один раз в 100 лет, в ЦЧО (107 мм и менее) повторяется один раз в 10 лет, в Нижнем Поволжье (70 мм и менее) — 4 года в десятилетие.
Глубина промерзания почвы 50-процентной вероятности превышения на юге ЦРНЗ составляет 70 см, в ЦЧО — 56—81 см, в Нижнем Поволжье — 62—87 см, а 10-процентной обеспеченности —
1. Пространственно-временная вариация уровней природных факторов эрозионно-гидрологического процесса
Фактор Средние Вероятность превышения, %
1 10 30 50 60 70 80 90 99
Юг ЦРНЗ, Орловская область
Снегозапасы, мм 122 239 183 146 120 109 96 82 62 18
Влагозапасы в почве, мм 166 244 203 178 163 157 150 143 134 117
Глубина промерзания, см 74 206 139 97 70 57 45 32 13 0
ЦЧО, Курская область
Снегозапасы, мм 82 161 125 100 82 74 65 55 40 5
Влагозапасы в почве, мм 187 286 233 201 183 175 167 158 147 128
Глубина промерзания, см 82 166 126 99 81 72 63 53 38 7
ЦЧО, Воронежская область
Снегозапасы, мм 72 166 122 92 71 61 51 38 22 8
Влагозапасы в почве, мм 181 258 222 198 181 173 165 154 140 107
Глубина промерзания, см 60 125 89 68 56 51 46 41 35 23
Среднее Поволжье, Самарская область
Снегозапасы, мм 64 136 95 72 60 54 50 44 38 29
Влагозапасы в почве, мм 121 197 153 130 117 111 106 101 95 86
Глубина промерзания, см 116 213 168 137 116 106 95 82 64 22
Нижнее Поволжье, Волгоградская область, г. Камышин
Снегозапасы, мм 67 161 116 86 66 56 46 34 19 0
Влагозапасы в почве, мм 73 127 101 84 72 67 61 54 45 25
Глубина промерзания, см 78 235 167 119 87 71 54 34 7 0
Нижнее Поволжье, г. Волгоград
Снегозапасы, мм 46 115 77 55 42 37 31 26 19 6
Влагозапасы в почве, мм 80 151 115 92 78 71 64 56 46 24
Глубина промерзания, см 67 249 159 100 62 45 27 8 0 0
139 см, 89—126 см, 159—167 см соответственно. Уровень глубины промерзания (меньше 50 см), при котором сток не формируется, в ЦРНЗ бывает 4 года, в ЦЧО повторяется 3–4 года, а в Нижнем Поволжье – 4–5 лет в десятилетие.
Оценивая в целом эти материалы, следует отметить, что природные факторы при нерациональной хозяйственной деятельности создают благоприятные условия для формирования стока и процессов эрозии во всех природных зонах. Полученный банк данных может быть использован при расчётах ЭГП и разработке системы управления ими.
Лесомелиоративные мероприятия, являясь важнейшим антропогенным фактором адаптивноландшафтной системы земледелия, играют многофункциональную роль [3]. Лесные полосы, воздействуя на природные факторы (снегозапасы, влажность и промерзание почвы, температуру воздуха и почвы и др.), влияют на засухи и суховеи, эрозионно-гидрологические процессы и урожайность сельскохозяйственных культур. Важнейшими природными факторами, влияющими на эрозионно-гидрологические процессы, являются снегозапасы, увлажнение и промерзание почвы. Рассмотрим их.
Лесные полосы, как постоянно действующий фактор, оказывают мощное воздействие на накопление снега и характер снегоотложения. Причём влияние это зависит от ветрового режима, способа их размещения, конструкции, параметров (количество рядов, ширина и др.), расстояния между ними [4]. Как в зональном плане, так и на разных элементах рельефа и при различной ориентации к странам света оно бывает разное.
Наиболее мощным антропогенным фактором, влияющим на снегоотложение и ЭГП, являются стокорегулирующие лесные полосы. Они способствуют перераспределению снега на водосборе, накоплению и сохранению большого количества его на полях. Знание закономерностей снегоотложения и влияния на него стокорегулирующих лесополос позволило определить пути и разработать новые способы управления им.
Специфический характер снегоотложения под воздействием лесных полос обусловливает и соответствующий характер увлажнения и промерзания
почвы как в самих лесополосах, так и на полях [5]. Важнейшим природным фактором стока, на который большое влияние оказывают лесные полосы, является глубина промерзания почвы. Снег, обладая хорошими теплоизоляционными свойствами, предохраняет почву от промерзания. Лесные полосы, являясь мощным фактором снегоотложения, в значительной степени воздействуют на характер промерзания почвы.
Обобщение и анализ многолетних данных по глубине промерзания почвы в лесных полосах, под их защитой и в открытом поле позволили выявить ряд интересных фактов и зависимостей, из которых вытекают важные следствия (табл. 2). Почва предохраняется от замерзания или глубина промерзания её бывает небольшой в лесополосах и под снежными шлейфами. В межшлейфовых частях межполосного пространства и в открытом поле она промерзает глубоко и примерно одинаково.
В лесостепи Западной Сибири на незащищённых полях и в межшлейфовых частях межполосных пространств в системе стокорегулирующих лесополос почва замерзала ежегодно, и только 1 год из 100 лет глубина её промерзания не превышала 50 см, а в годы 10-процентной вероятности превышения глубина промерзания составляла 170 см. В лесных полосах 1 год в 100 лет почва была совсем талой, а глубина промерзания меньше 50 см была 7–8 лет из десяти. В лесостепи европейской части Российской Федерации средняя глубина промерзания почв в лесополосах составляет 33 см, а в открытом поле — 72 см. Глубина промерзания меньше 50 см бывает в открытом поле 4 года в десятилетие, а в лесополосах – 6–7 лет в десятилетие. В степи Нижнего Поволжья роль лесных полос в предохранении почвы от промерзания значительно выше. На каштановых почвах (в районе г. Камышина) средняя глубина её промерзания бывает в открытом поле 59 см, в лесополосах — 26 см, на светло-каштановых почвах эти показатели соответственно составляют 70 и 29 см. Совсем почва не замерзает в лесополосах 3—4 года в десятилетие, а в открытом поле на каштановой почве — один раз в 10 лет, на светло-каштановой – один раз в 20 лет. Промерзание почвы меньше 50 см в лесополосах бывает в годы с 90—97-процентной вероятностью
2. Показатели средней и разной вероятности превышения глубины промерзания почвы в лесополосах и открытом поле, см
Зона, почва Место Средняя Вероятность превышения, %
определения 1 10 30 50 60 70 80 90 99
Западная Сибирь, Лесополоса 34 110 70 45 30 25 20 10 5 0
оподзоленный чернозём Поле 114 220 170 135 110 100 90 80 65 30
Юг ЦРНЗ, Лесополоса 33 105 70 45 30 25 15 10 0 0
серая лесная Поле 72 195 135 95 70 55 45 30 0 0
Нижнее Поволжье, Лесополоса 26 85 45 20 10 5 0 0 0 0
каштановая Поле 59 190 120 80 55 45 30 20 0 0
Нижнее Поволжье, Лесополоса 20 70 35 15 5 0 0 0 0 0
светло-каштановая Поле 70 190 120 80 55 40 30 20 5 0
превышения, т.е. почти ежегодно она бывает талая или промерзает на небольшую глубину. В открытом поле в таком состоянии почва бывает 4—5 лет в десятилетие.
Оценивая в целом влияние лесных полос на глубину промерзания почвы, следует сказать, что с помощью их можно её регулировать в значительной степени. Лесополосы во всех зонах способствуют уменьшению глубины промерзания. В Западной Сибири это влияние проявляется в наименьшей степени даже в условиях, когда в лесных полосах и около них образуются мощные сугробы снега. Это связано с тем, что почва здесь успевает промерзнуть глубоко до установления устойчивого снежного покрова. В условиях, когда снег распределяется равномерно в системе лесополос, влияние их на глубину промерзания снижается. В лесостепи европейской части РФ роль лесных полос в уменьшении глубины промерзания больше и увеличивается при движении на юг и юго-восток.
Резюмируя изложенное о влиянии стокорегулирующих лесополос на природные факторы стока — снегозапасы, увлажнение почв и глубину её промерзания, отметим, что, оказывая мощное воздействие на снегоотложение, лесополосы способствуют накоплению большего количества снега и при равномерном его распределении по полю и глубоком промерзании почвы могут обуслов-
ливать небольшое повышение стока талых вод. При неравномерном распределении снега, когда образуются снежные сугробы, предохраняющие почву от глубокого промерзания, водопоглощение сохраняется на высоком уровне и лесополосы способствуют значительному сокращению стока. На предзимнее увлажнение почвы лесополосы мало влияют, поэтому сток под воздействием этого фактора почти не изменяется.
Зная роль природных факторов в формировании стока талых вод и влияние на них стокорегулирующих лесных полос на снегораспределение, можно управлять ЭГП.
Литература
1. Барабанов А.Т. Закономерности формирования поверхностного стока талых вод, его прогноз и регулирование // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. № 1 (33). С. 65-68.
2. Барабанов А.Т., Панов В.И. К вопросу о прогнозе поверхностного стока талых вод в лесостепной и степной зонах // Аридные экосистемы. 2012. Т. 18. № 4 (53). С. 22-27.
3. Кулик К.Н., Панов В.И., Барабанов А.Т. Лесомелиорация во влагосберегающем кластерно-синергетическом агроприродопользовании в степном субрегионе // Теоретические и прикладные проблемы АПК. 2014. № 2. С. 18-20.
4. Гаршинёв Е.А. Противоэрозионная лесомелиорация и эволюция эрозионно-гидрологического процесса: автореф. дисс. ... докт. с.-х. наук. Волгоград: ВНИАЛМИ, 1995. 48 с.
5. Жданов Ю.М., Барабанов А.Т., Балычев Р.Д. Создание конструкции лесополос, обеспечивающих оптимальное снегоотложение в них и на полях // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2015. № 1 (37). С. 29-34.
