Введение к работе
Актуальность проблемы. Эрозия почв является одним из наиболее распространённых видов её деградации. В Российской Федерации более 60% пашни расположено на эрозионноопасных и эродированных землях. Наиболее подвержены эрозионным процессам сельскохозяйственные угодья в Поволжском (85-95%), Северо - Кавказском (92-98%), Центрально - Чернозёмном (53-56%) и Уральском (59-67%) регионах. Более половины (52%) эрозионноопасных и эродированных сельскохозяйственных угодий в РФ подвержены дефляции почв. Продуктивность эродируемых земель снижается, отмечается деградация почвенного покрова.
Всё это приводит к острой необходимости поиска решений о надёжной защите почв от эрозии и дефляции и о рациональном использовании эродированных земель.
Объектом исследований являются почвенно-эрозионные процессы. Географический район исследований - Центрально -Чернозёмный и Северо - Кавказский регионы.
Целью работы является разработка методов моделирования почвенно-эрозионных процессов и основ формирования проти-воэрозионных комплексов на пахотных землях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка и совершенствование методов физического и математического моделирования эрозионных процессов;
разработка компьютерных моделей для расчёта потерь почвы при различных вариантах использования пахотных земель;
исследование особенностей проявления эрозионных процессов за многолетний период;
обоснование противоэрозионной эффективности агротехнических приёмов по отношению к дождевой эрозии почв;
обоснование допустимого смыва почвы;
разработка автоматизированной системы выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов;
обоснование критерия эффективности использования эродированных почв для возделывания основных сельскохозяйственных культур в ЦЧЗ.
Методика исследований основана на применении современных методов физического и математического моделирования природных процессов, к которым относится эрозия и дефляция почв. При моделировании использованы фундаментальные законы природы, методы статистического и имитационного моделирования, а также методы математической статистики, теории вероятностей и методы оптимизации. В проведённых полевых и лабораторных экс-
периментах, а также для обработки различного рода данных и проведения численных экспериментов использована компьютерная технология.
Основные защищаемые положения:
метод дождевания для исследования стока и смыва почвы;
математические модели дождевой эрозии почв: гидромеханическая, имитационная и стохастическая;
стохастическая модель смыва почвы при весеннем снеготаянии;
эффективность агротехнических приёмов защиты почв от дождевой эрозии;
допустимый смыв почвы;
выбор и размещение на пашне элементов противоэрозионных комплексов;
критерий эффективности использования эродированных почв для возделывания основных сельскохозяйственных культур.
Научная новизна работы состоит в разработке методов физического и математического моделирования эрозионных процессов и основ формирования противоэрозионных комплексов, надёжно защищающих от эрозии пахотные земли, и включает в себя следующее:
впервые разработана методика дождевания почв, позволяющая получаемые результаты переносить на натурные условия;
теоретически обоснована и экспериментально доказана применимость формулы Шези-Маннинга для описания склоновых потоков воды, которая, в свою очередь, является частным случаем полученного решения уравнения Рейнольдса (с учётом ударов дождевых капель);
впервые в России разработаны имитационная и стохастическая модели дождевой эрозии почв, а также стохастическая модель смыва почвы при весеннем снеготаянии;
определена эффективность основных агроприёмов и агрофонов по отношению к дождевой эрозии почв для условий ЦЧЗ;
разработан новый подход к обоснованию допустимых потерь почвы;
предложен новый алгоритм выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов на пахотных землях;
разработан новый критерий эффективности использования эродированных почв для возделывания основных сельскохозяйственных культур в условиях ЦЧЗ.
Практическая значимость полученных результатов исследований:
применение в научных исследованиях разработанного метода
дождевания и созданной дождевальной установки (а.с. 1648288
СССР) обеспечивает получение объективных данных, существенно сокращая время и затраты на исследования;
разработанные математические модели водной эрозии почв необходимы для конструирования противоэрозионных комплексов для разных зон России;
применение в ЦЧЗ почвозащитных обработок почвы (чизельная, безотвальная, нулевая) позволит снизить дождевой смыв почвы примерно на 20%, а мульчирование соломой в расчёте 2-4 т/га практически предотвратит смыв;
предложенный подход к обоснованию допустимых потерь почвы позволяет разработать нормативы по допустимому смыву для различных зон России;
автоматизированная система выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов может использоваться проектными организациями при разработке проектов землеустройства хозяйств для условий ЦЧЗ, а также в учебном процессе в системе среднего и высшего сельскохозяйственного образования.
применение критерия эффективности использования эродированных почв в анализе хозяйственной деятельности предприятий позволяет найти решение о более рациональном использовании пахотных земель.
В целом, внедрение противоэрозионных комплексов гарантирует с вероятностью 95% защиту почв от эрозии в течение 50 лет.
Работа выполнена в период 1976 - 1999 гг. в соответствии с планами НИР Всероссийского НИИ земледелия и защиты почв от эрозии, а также при реализации государственных научно-технических программ (проектов). Экспериментальные исследования проведены в основном на установках аэро - гидродинамического комплекса ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии и на полевых опытах.
Реализация полученных результатов. Результаты исследований, полученные автором, были использованы:
1.В разработке проектов ВАСХНИЛ "ИНТЕРАГРО" (1990-1991) и "СУПЭР" (1990-1992), проводимых в рамках международного сотрудничества (головная организация - НПО "Нива Ставрополья").
2.В Федеральной целевой комплексной научно - технической программе "Экологическая безопасность России": тема 5.4.8.2 "Разработать математические модели состояния экосистем и протекающих в них процессов" (1993), тема 9.5.10 "Разработка методических указаний по оценке интенсивности современных процессов эрозии и дефляции почв" (1993-1994).
З.В "Концепции формирования высокопродуктивных экологически устойчивых агроландшафтов и совершенствования систем
земледелия на ландшафтной основе. Ландшафтное земледелие. Часть 1". Курск. 1993. 54 с.
4. В разработке нормативов по допустимому смыву для бурых лесных почв предгорий Кубани по договору с Комитетом земельных ресурсов и землеустройства Краснодарского края (головная организация - Кубанский государственный аграрный университет, 1993-1995).
5.В разработке проекта "Методики землеустройства территории сельскохозяйственных предприятий на ландшафтной основе" по заданию РОСКОМЗЕМ (1995 -1996 гг.).
6.В "Методике разработки систем земледелия на ландшафтной основе". Курск. 1996.132 с.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Третьей Всесоюзной научной конференции "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (МГУ, 1981); X Всесоюзной школе-семинаре "Моделирование гидрологических процессов" (Звенигород, 1986); совещании "Почвозащитная технология полива и разработка мероприятий по повышению надежности противопаводковой защиты", проведённом Академией наук СССР, Всесоюзным обществом почвоведов, ВАСХНИЛ (Пущино, 1987); школе - семинаре молодых учёных и специалистов "Научные основы рационального использования почв" (Курск, 1988); совещании специалистов СССР и ГДР по теме: "Обмен информацией и обсуждение уровня и дальнейшего развития компьютерных программ для планирования, управления и контроля в растениеводстве с учетом конкретных полей" (Мюнхеберг, ГДР, 1989); школе - семинаре "Моделирование почвенно-эрозионных процессов" (Курск, 1990); Всесоюзной конференции "Экзогенный морфогенез в различных типах среды" (МГУ, 1990); заседании координационного Совета ВАСХНИЛ по защите почв от эрозии на тему: "Совершенствование мероприятий по защите почв от ветровой эрозии в стране" (Шортанды, 1990); выездном заседании Президиума ВАСХНИЛ "О состоянии и перспективах развития исследований по моделированию процессов в региональном АПК" (Ставрополь, 1991); конференции стран содружества "Физика почв и проблемы экологии" (Пущино, 1992); международном семинаре "Эрозия почв" ( Москва, 1993); международной конференции "Экологические проблемы сельскохозяйственного производства" (Воронеж, 1994); Российско-Германском семинаре по Федеральной целевой программе "Возрождение Волги" и Российско - Германскому проекту "Волга - Рейн" (Пущино, 1999); совещании Российско-Германской рабочей группы по проекту "Волга-Рейн" (Магдебург, ФРГ, 1999); на заседании Совета по проблемам экологии в АПК (Москва, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 печатная работа (2 за рубежом), включая 2 изобретения.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений для практического использования результатов исследований. Работа изложена на 255 страницах, содержит 61 таблицу, 104 рисунка, список литературы включает 211 источников, в том числе на иностранных языках 61.
Автор глубоко признателен академику Ц.Е. Мирцхулава, представления об эрозионных процессах которого во многом определили направление проведённых исследований.
Автор выражает свою благодарность научному консультанту член - корреспонденту РАСХН В. М. Володину за консультации по широкому кругу проблем и за поддержку на разных этапах работы, а также всем сотрудникам лаборатории моделирования эрозионных процессов ВНИИЗ и ЗПЭ, руководителем которой является автор.
