Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 9
2 Почвенно-климатические условия Южной лесостепной зоны Башкирского Предуралья Республики Башкортостан 30
2.1 Климат 30
2.2 Геологическое строение и рельеф 33
2.3 Гидрология 34
2.4 Характеристика почвенного покрова 36
2.5 Растительность 37
3 Объекты и методика исследований 42
3.1 Характеристика объектов исследований 42
3.2 Программа и методика проведения исследований 60
4 Влияние овражно-балочных насаждений на распределение снежного покрова 70
4.1 Лиственная приовражная лесополоса 71
4.2 Сосновая приовражная лесополоса 76
4.3 Кедровое балочное насаждение 80
5 Изменение водно-физических свойств почвы под пологом лесомелиоративных насаждений различного видового состава ... 86
5.1 Механический состав почвы 86
5.2 Плотность сложения, плотность твердой фазы, скважность почвы 96
5.3 Структура почвы 105
5.4 Водопроницаемость почвы 111
6 Влияние противоэрозионных овражно-балочных насаждений на агрохимические свойства почвы 123
7 Противоэрозионная роль лесной подстилки в овражно-балочных насаждениях различного видового состава 135
8 Защитная роль травянистой растительности под пологом противоэрозионных насаждений 146
9 Экономика создания противоэрозионных овражно-балочных насаждений 162
Выводы. 165
Предложения производству 168
Библиография 169
Приложения 190
- Почвенно-климатические условия Южной лесостепной зоны Башкирского Предуралья Республики Башкортостан
- Сосновая приовражная лесополоса
- Плотность сложения, плотность твердой фазы, скважность почвы
- Противоэрозионная роль лесной подстилки в овражно-балочных насаждениях различного видового состава
Почвенно-климатические условия Южной лесостепной зоны Башкирского Предуралья Республики Башкортостан
Климат Башкирского Предуралья резко континентальный, что обусловлено его расположением в глубине материка. Используя данные метеостанции Уфа-Дема, расположенной в 15 - 25 км от районов исследования, приведем характеристику климата.
По многолетним данным средняя температура воздуха составляет 2,5 С. Практически во все месяцы года, могут отмечаться минусовые температуры воздуха, и только июль является безморозным месяцем. Раннеосенние заморозки отмечаются с 10 августа, а поздневесенние возможны вплоть до 1 июля. Средняя продолжительность безморозного периода составляет 135 дней.
Средняя температура самого холодного месяца (январь) -14,5С, а самого теплого (июль) 19,0С. Продолжительность большого вегетационного периода (дни со средней температурой воздуха более 5 С) составляет 164 дня, а малый вегетационный период (дни со средней температурой более 10С) в среднем равен 134 дням. Сумма активных температур варьирует в пределах от 2300 до 2500 С.
За год на территории Башкирского Предуралья выпадает около 530 - 580 мм осадков. В течение теплого периода (апрель-октябрь) выпадает их в виде дождей около 70% от вышеуказанного объема, а в холодный период (ноябрь-март) около 30%. Годы, в течение которых мы проводили исследования, отличались различными агрометеорологическими условиями. В таблице 2.1 приводятся данные по изменению среднемесячной температуры воздуха и среднемесячного количества осадков в течение трех лет проведения опытов (с 1997 по 1999 г.). Установление снежного покрова происходит в конце первой декады ноября. К началу весны (вторая декада марта) толщина снежного покрова достигает наибольшего значения 48 - 52 см. Процесс снеготаяния обычно начинается в третьей декаде марта, а его продолжительность составляет в среднем 21 день. Как правило, к 16 апреля устойчивый снежный покров уже сходит, но полное оттаивание почвы происходит в среднем только в третьей декаде апреля. Преобладающими являются ветры южных и юго-западных направлений, крайне редки восточные, северо-восточные и юго-восточные направления ветра. Средняя скорость ветра за год равна 3,3 м/сек., в вегетационный период 2,8 м/сек. Во время вегетационного периода учащаются ветры северных румбов. Средняя годовая относительная влажность воздуха равна 75%. Она достигает максимального значения - 85% в декабре, а минимального - 59% в мае. Крайне неустойчивый характер погоды в весенне-летний период - резкие перепады температуры от тепла к холоду являются причиной возникновения поздневесенних и раннеосенних заморозков, нежелательных для лесомелиоративных насаждений. Но в целом климатические условия Башкирского Предуралья являются достаточно благоприятными для создания защитных овражно-балочных насаждений и способствуют хорошему росту и долговечности древесно-кустарниковых пород. Башкирское Предуралье расположено на востоке Русской равнины, юго-западную часть которой занимает Бугульмино-Белебеевская возвышенность. Исследования проводились в зоне так называемого Увалистого Прибелья. Предуралье представляет собой геоморфологическую зону, сформировавшуюся на пластовом основании Русской платформы и сложенную преимущественно разновозрастными по литологии осадочными породами пермской системы. Вследствие приближенности к Уральской геосинклинали, Предуралье имеет некоторую тектоническую нарушенность слагающих её коренных пород, которая выражается в общем постепенном падении пластов с востока на запад, с последовательным выходом на поверхность в восточном направлении более древних пород перми (Богомолов, 1954). Уфимскмй ярус представлен отложениями континентального периода: песчаниками, красноцветными глинами, мергелями, конгломератами. Наступившее в верхнепермский период Казанское море возобновило образование морских отложение в виде песчаников, глинистых сланцев, мергелей, доломитов казанского яруса (Мукатанов, 1992). Общий рельеф Предуралья представляет собой увалисто-волнистую равнину с врезанными ложбинами, с большим количеством возвышений, с пологими склонами. Абсолютные высоты варьируют между 100 - 420 м над уровнем моря. Степень расчлененности рельефа составляет 0,5 - 3,5 км/км2, глубина местных базисов эрозии достигает 50 - 250 м, средние уклоны от 1 до 10 (Научно-обоснованные системы..., 1982).
Расчлененность рельефа Предуралья обусловлена тектоническими, эрозионными и карстовыми явлениями. В пределах Предуральского краевого тектонического прогиба в рельефе выражены увалы, хребтики, созданные складчатыми процессами. В междуречьях обычны эрозионно-денудационные холмы, образованные в результате неотектонических поднятий конца третичного времени и последующего разрушения. Реки Предуралья глубоко врезаются в коренные и осадочные породы, благодаря чему образуются обнажения горных пород, каменистые кручи, утесы. И, наконец, в пределах Предуральского тектонического прогиба находятся горы-одиночки рифового происхождения (Смирнова, 1973).
В целом, ландшафт территории Предуралья слагается из чередования холмистых увалов с равнинами, которые, в свою очередь, прорезаны многочисленными долинами рек и оврагов. Развитие гидрографической сети и связанные с ней эрозионные процессы явились основными факторами, повлиявшими на образование рельефа. Противоэрозионные лесные насаждения в данных условиях отличаются высокой экологической устойчивостью и хорошим лесомелиоративным эффектом.
Сосновая приовражная лесополоса
Для изучения влияния овражно-балочных насаждений на экологическую оптимизацию лесоаграрных ландшафтов и выявления древесно-кустарниковых пород, имеющих максимальное противоэрозионное значение и наиболее подходящих для создания защитных насаждений, в программу работ нами были включены следующие вопросы: 1.Выбор объектов исследований, оборудование стационаров для проведения мониторинговых наблюдений. 2.Изучение лесотаксационных характеристик овражно-балочных насаждений в условиях Башкирского Предуралья. 3.Исследование характера снегоотложения и снегораспределения на овражно-балочных землях. 4.Изучение почвенно-грунтовых условий на территории опытных объектов. 5.Изучение аккумулирующей роли лесной подстилки и водно-физических свойств почвы. б.Исследование живого напочвенного покрова и оценка его почвозащитной и водоохранной роли. 7,Оценка влияния лесомелиоративных насаждений различного видового состава на стабилизацию экологических факторов в условиях агроландшафтов, подвергшихся воздействию эрозионных процессов, и составление на её основе рекомендаций по облесению оврагов и балок Башкирского Предуралья. За период с 1997 по 2000 год нами было исследовано три участка лесных культур, созданных на различных категориях эродированных земель Южной лесостепной зоны Башкирского Предуралья. На пробных площадях, заложенных на территории трех опытных объектов, нами были выполнены следующие виды работ: 1. Исследованы лесотаксационные характеристики овражно-балочных насаждений различного видового состава. 2. На территории всех опытных объектов была проведена снегомерная съемка с целью изучения характера снегораспределения на различных элементах гидрографической сети. 3. Произведена выкопка и дано подробное описание девяти почвенных разрезов. 4. Проведено 27 анализов по изучению скорости инфильтрации воды в почву на различных элементах гидрографической сети на территории объектов исследования. 5. Изучены мощность, сложение и водно-физические свойства лесной подстилки на 49 образцах. 6. Изучена естественная травянистая растительность на основе обследования 78 учетных площадок. Полевые работы на пробных площадях и обработка исходных данных проводились по общепринятым в лесной таксации методам. Почвенно-грунтовые условия на территории опытных объектов изучались путем морфологического описания разрезов и лабораторных анализов согласно «Общесоюзной инструкции по почвенным обследованиям и составлению крупномасштабных почвенных карт землепользованию 1973). В почвенной лаборатории нами были выполнены следующие анализы: 1. Определение механического состава. 2.0пределение содержания гумуса (по Тюрину). 3.Определение подвижного Рг05 (по Чирикову). 4,Определение подвижного КгО (по Чирикову). 5.Определение рН солевой вытяжки. б.Определение плотности сложения (объемного веса). 7.0пределение плотности твердой фазы (удельного веса) пикнометрическим способом. 8.Расчет скважности (порозности). 9.0пределение структуры почвы. При исследовании физических свойств почв особое внимание обращалось нами на скважность почвенных горизонтов, определение которой происходило аналитическим путем с использованием показателей плотности сложения и плотности твердой фазы. Механический состав определялся на основе содержания в почве физической глины по шкале Качинского. Изучение структуры почвы проводили по методу Саввинова (фракционирование почвы на ситах в воде).
Определение подвижных форм фосфора и калия в почвах проводили по методу Чирикова в модификации ЩШАО (ОСТ 46 41-76), основанному на извлечении фосфора и калия из почвы 0.5 нормальным раствором уксусной кислоты при соотношении почва: раствор 1 : 25 с последующим определением фосфора в виде молибденовой сини на фотоэлектроколориметре, калия - на пламенном фотомере.
Определение гумуса в почвах проводили по методу Тюрина с фотоколориметрическим окончанием (ОСТ 46 47-76), основанном на окислении гумуса почвы раствором двухромовокислого калия в серной кислоте при нагревании в кипящей водяной бане и последующим определении образовавшегося при этом трехвалентного хрома на фотоэлектроколориметре.
Изучение характера снегораспределения на различных элементах гидрографической сети, под воздействием овражно-балочных насаждений проводилось нами при помощи походного составного снегомера конструкции Ташкентской научно-исследовательской геофизической лаборатории, предназначенного для изучения глубины снежного покрова без рытья шурфа. Помимо этого, при помощи снегомера были взяты пробы снежной массы для определения её веса. Повторность опыта в каждой точке измерений трехкратная.
Для того чтобы произвести расчет запаса воды в снеге, вес снежной пробы умножается на три. Для вычисления плотности снежного покрова, запас воды в снеге делился на удесятеренную высоту снега.
Плотность сложения, плотность твердой фазы, скважность почвы
Таким образом, благодаря действию противоэрозионного насаждения, мощность снега на защищенном поле даже в 200 м от лесополосы в 1,2 раза превышает таковую на открытых, необлесенных полях. Продуваемая конструкция насаждения способствует равномерному распределению снега на прилегающем защищенном поле, препятствуя его выносу под действием господствующих ветров, предохраняя, тем самым, почву от промерзания.
Глубина снега на дне оврага составляет 75,5 см. Эта, достаточно высокая, по нашему мнению, величина обусловлена сносом снега с прилегающего к оврагу склона под действием господствующих ветров, т.к. приовражная лесная полоса расположена с заветренной стороны оврага.
Плотность снежного покрова изменяется в зависимости от элемента гидрографической сети. Так, максимального значения она достигает на незащищенном поле перед полосой, где составляет 0,335 г/см3. При приближении к насаждению плотность снега уменьшается, и составляет лишь 0,276 г/см3 под пологом древостоя. Минимальную плотность (0,250 г/см3) имеет снежный покров на заветренной опушке насаждения. На южной бровке оврага плотность достигает 0,288 г/см , а затем, по мере удаления от лесополосы, плотность снега уменьшается до 0,265 г/см в 200 м. На дне оврага плотность снежного покрова составляет 0,268 г/см .
Высокую плотность снежного покрова перед насаждением можно объяснить тем, что здесь процесс снегоотложения протекает практически непрерывно под влиянием поземок, а не только во время снегопадов, как на других элементах гидрографической сети.
При расчете запаса воды в снеге выяснилось, что максимальный запас воды содержится в снеге в 10 м от лесной полосы, и составляет 2490 м3/га. Снежные массы лиственного насаждения содержат 2130 м3/га воды. На заветренной опушке запас воды равен 1770 м /га, а на дне оврага 2020 м /га. Низкое содержание воды отмечалось в снежных массах необлесенного поля, где запас воды равен 1530 м3/га. На защищенном лесополосой поле запас воды постепенно уменьшается с 2490 до 1410 м3/га, с увеличением расстояния до насаждения. Данные распределения снежного покрова на элементах гидрографической сети объекта «Таптыково» (в течение 1997, 1998 и 1999 годов) представлены в приложении А. Характер распределения снежного покрова на территории объекта «Кувыково», где защитное насаждение состоит из сосны обыкновенной, аналогичен вышеописанному объекту «Таптыково». Разница заключается в том, что приовражная лесополоса расположена с подветренной стороны оврага, а не с заветренной, как в предыдущем случае (рисунок 4.2).
Глубина снежного покрова на необлесенном поле перед лесной полосой составляет 45,0 см. По мере приближения к лесной полосе глубина снега незначительно увеличивается, достигая 50,0 см на южной, подветренной опушке насаждения. Непосредственно под пологом приовражного насаждения происходит аккумуляция снега, который достигает глубины 69,0 см, а на северной опушке лесополосы этот показатель понижается до 65,7 см. Глубина снега на южной бровке оврага аналогична лесной полосе и составляет 69,0 см. Максимальное отложение снега отмечено в 10 м от насаждения, на северной бровке оврага, и составляет 82,3 см. Далее, по мере удаления от лесополосы, происходит уменьшение мощности снежного покрова с 82,3 см в 10 м до 56,3 см в 200 м от насаждения. Показатель мощности снежного покрова в 200 м от лесополосы на защищенном поле в 1,3 раза превышает аналогичный показатель на открытом, необлесенном поле перед насаждением (таблица 4.2).
Глубина снега на дне оврага составляет в среднем 72, 2 см, т.е. фактически такая же, как под пологом приовражной лесной полосы. Это свидетельствует об отсутствии приноса снега со стороны.
Плотность снежного покрова имеет максимальное значение на необлесенном поле, и составляет 0,360 г/см . Снежные массы на подветренной опушке также отличаются высокой плотностью (0,330 г/см3). Минимальное значение отмечено на заветренной опушке, где плотность составляет 0,283 г/см3. На защищенном поле показатель плотности варьирует в пределах 0,285 0,298 г/см ; на дне оврага он равен 0,292 г/см , а под пологом насаждения -0,287 г/см3.
В снежных массах незащищенного лесными полосами поля содержание воды составляет 1620 м /га. Приближение к лесонасаждению вызывает увеличение содержания воды в снеге, которое под пологом древостоя достигает 1980 м3/га. Запас воды на дне оврага составляет 2150 м3/га, а в 10 м от лесополосы - 2350 м /га, что является наивысшим показателем на территории объекта. Затем содержание воды в снеге постепенно уменьшается по мере удаления от насаждения, и в 200 м на защищенном поле составляет 1630 м3/га.
Результаты измерения мощности снежного покрова в течение трех лет исследований (на территории объекта «Кувыково») представлены в приложении А.
Исходя из данных по снегораспределению, можно сказать, что приовражная полоса продуваемой конструкции, расположенная с подветренной стороны оврага, снижая скорость ветра, способствует некоторому уменьшению мощности снежного завала на теневом склоне оврага. Создание же противоэрозионного насаждения плотной, непродуваемой конструкции, может способствовать абсолютному прекращению накопления метелевых снежных масс на заверенном откосе оврага или берегу балки.
Противоэрозионная роль лесной подстилки в овражно-балочных насаждениях различного видового состава
Потоки господствующих ветров встречают на своем пути плотную, непроницаемую преграду из древесных крон (а сосна сибирская обладает на редкость мощной и разлапистой кроной), в связи с чем скорость ветра падает и снег спокойно оседает, накапливаясь в лесонасаждении, достигая своего максимума на северной опушке.
При вычислении плотности снежного покрова нами были получены следующие данные: при движении от необлесенного поля к балке, а затем вниз по склону, происходит снижение плотности с 0,317 г/см3 до 0,245 г/см3 на дне балки и непосредственно в лесной полосе. На опушке показатель плотности равен 0,262 г/см3, а на защищенном поле варьирует в пределах 0,247 - 0,318 г/см , причем необходимо отметить возрастание плотности по мере удаления от насаждения.
Запас воды в снеге на территории объекта увеличивается по мере приближения к балке, с 1530 м /га на необлесенном поле до 2250 м /га на заветренном склоне. На дне балки содержится 1620 м /га воды в снеге, а под пологом насаждения - 1740 м3/га. Содержание воды возрастает до 2100 м3/га на заветренной опушке противоэрозионного насаждения, а затем, по мере удаления от полосы, равномерно снижается с 1830 до 1630 м3/га.
Распределение снега по гидрографической сети объекта «Уптино» в течение трех лет исследований представлено в приложении А. Закономерности, выявленные в процессе исследования снегораспределения на территории опытных объектов, дают основание отметить: 1.Создание противоэрозионных насаждений на территории овражно-балочных систем способствует накоплению снега на прилегающих полях, а также более равномерному его распределению. 2.0бразование снежных шлейфов на защищенных лесными полосами полях, а также мощного сугроба непосредственно под пологом насаждения, способствует хорошей защите почвы от негативного воздействия отрицательных температур, и, следовательно, поддерживает водопоглощающие свойства почвы на довольно высоком уровне. Все это, в конечном итоге, улучшает гидрологический режим местности. 3.Мощный слой снега, накапливающийся под пологом защитной лесополосы и на её заветренной опушке, представляя собой естественное механическое препятствие для стекающих к оврагу талых вод, способствует переводу поверхностного стока во внутригрунтовый. 4.Талые воды, стекая к лесной полосе с прилегающих полей, смывают большое количество мелкозема. Благодаря сугробам на опушке и в лесной полосе происходит их фильтрация, в результате которой талые воды освобождаются от механической взвеси, накапливающейся под пологом насаждения. 5. Недостаток почвенной влаги, столь характерный для большинства необлесенных овражно-балочных систем Южной лесостепной зоны Башкирского Предуралья, может восполняться за счет отложения большого количества снега под пологом противоэрозионных насаждений. Запас воды, образующийся при его таянии, имеет важное значение для хорошего роста и развития древесно-кустарниковых пород. 6. Одной из важнейших функций овражно-балочных насаждений является предупреждение сноса снега в овраги и балки, т.к. это способствует защите почв от размыва при снеготаянии, а также предохраняет древесно кустарниковую растительность в оврагах и балках от снеголома. Как показали наши исследования, противоэрозионные насаждения продуваемой конструкции, фактически не справляются с этой функцией, однако способствуют накоплению и равномерному распределению снега на прилегающих полях. При расположении лесной полосы такой конструкции с наветренной стороны оврага, благодаря специфике её действия, основная масса снега откладывается на заветренной опушке и далее, т.е. так или иначе попадает в овраг, накапливаясь там. При расположении же лесной полосы на противоположной стороне овражно-балочной системы, снег с приводораздельного склона беспрепятственно сносится в овраг. Эту проблему способны разрешить овражно-балочные насаждения непродуваемой, плотной конструкции, созданные с использованием кустарниковых пород. Специфика действия этих насаждений заключается в том, что при расположении с наветренной стороны оврага или балки они способствуют задержанию и накоплению основных снежных масс непосредственно перед лесной полосой, а также под её пологом, предохраняя тем самым овраги и балки от заваливания снегом, а растительность в них - от снеголома. Поэтому наряду с созданием овражно-балочных насаждений продуваемой конструкции возникает необходимость создания плотных, непродуваемых лесных полос. 5 Изменение водно-физических свойств почвы под пологом лесомелиоративных насаждений различного видового состава 5.1 Механический состав почвы Почвы характеризуются целым рядом различных свойств. С механическим составом взаимосвязаны такие их свойства, как водопроницаемость, влагоемкость, а также порозность (скважность). Преобладающими почвами на территории всех объектов исследования являются черноземы выщелоченные среднегумусные среднемощные. Черноземы выщелоченные занимают 14% общей площади республики и 28,1% площади пашни. По механическому составу 90,5% площади выщелоченных черноземов глинистые и тяжелосуглинистые (Хазиев, Герасимов и др., 1985).
В целом для выщелоченных черноземов характерно преобладание разновидностей тяжелого механического состава, отсутствие процессов выноса илистой фракции в низлежащие горизонты, небольшое содержание, по сравнению с серыми лесными почвами, фракций крупной пыли (Гарифуллин, 1979; Гарифуллин, Ишемьяров, 1987).
