Содержание к диссертации
Введение
1. Эрозионно-склоновые геосистемы (агроэкосистемы) и особенности их функционирования в цчз 10
2. Трансформация запасов и динамика почвенной влаги в агроландшафтах 20
2.1. Объекты и методы исследования 20
2.2. Динамика влагозапасов в вегетационный период в почвах различных агроэкосистем и природных экосистем 24
2.3. Территориальные закономерности сезонного изменения средних декадных влагозапасов в почве 33
2.4. Динамика накопления влаги в осенне-зимний период и формирование весенних влагозапасов в почве 42
2.5. Методика расчета и прогноза запасов влажности в почве по метеорологическим данным 49
2.6. Методика использования статистических данных о влажности почвы для оценки влагообеспеченности сельскохозяйственных растений. 65
3. Сток талых и ливневых вод, смыв почвы в агроландшафтах цчз 73
3.1. Метод расчета стока талых вод и смыва почвы в период весеннего снеготаяния 76
3.2. Метод расчета ливневого стока и смыва почвы в Центрально-Черноземной зоне 78
3.3. Влияние мульчирования на сток талых и ливневых вод и смыв почвы 94
3.4. Расчет стокорегулирующей и пртивоэрозионной эффективности лесомелиоративных и гидротехнических приемов на пашне 103
3.5. Расчет допустимого смыва почв в агроландшафтах 125
3.6. Использование системы севооборотов в противоэрозионных комплексах 135
3.7. Моделирование противоэрозионных комплексов в агроландшафтах. 146
3.7. 1. Структура электронной таблицы и исходные данные 146
3.7..2. Конструирование противоэрозионных комплексов для рабочих участков 152
3.7.3. Анализ результатов моделирования противоэрозионных комплексов и выбор оптимального варианта 161
4. Влияние хозяйственной деятельности на сток рек цчз 175
4.1. Многолетние колебания стока рек ЦЧЗ в разные фазы гидрологического режима и связь их с климатическими процессами и хозяйственной деятельностью 177
4.2. Оценка изменения водного режима рек под влиянием хозяйственной деятельности с помощью двойных интегральных кривых 194
5. Изменение гидрохимического состава и качества воды поверхностных водотоков 212
5.1. Экологическая оценка качества поверхностных вод по гидрохимическим показателям 212
5.2. Гидрохимический состав и качество поверхностных вод Курской области 215
6. Биоиндикационные методы оценки состояния пресноводных экосистем 249
6.1. Мониторинг состояния поверхностных вод методами биоиндикации249
6.2. Зоопланктонные сообщества как индикаторы сапробности 255
6.3. Комплексная оценка состояния пресноводных экосистем и влияния на них хозяйственной деятельности 271
6.4. Моллюски как индикатор загрязненности водных объектов 273
6.5. Характеристика ихтиофауны и возможности ее использования для биоиндикации 281
6.6. Распространение различных экологических групп высших водных растений и их роль в самоочищении водоемов 291
6.7. Способ биологической доочистки сточных вод на биоплато 306
7. Влияние хозяйственной деятельности на русловые процессы малых и средних рек 318
Выводы 330
- Динамика влагозапасов в вегетационный период в почвах различных агроэкосистем и природных экосистем
- Динамика накопления влаги в осенне-зимний период и формирование весенних влагозапасов в почве
- Метод расчета ливневого стока и смыва почвы в Центрально-Черноземной зоне
- Оценка изменения водного режима рек под влиянием хозяйственной деятельности с помощью двойных интегральных кривых
Введение к работе
Актуальными задачами современного сельскохозяйственного производства являются оптимизация землепользования и охрана окружающей среды. Реализуются эти направления путем разработки систем земледелия на ландшафтной основе с целью управления продуктивностью агроландшафта. На современном этапе существенным обстоятельством является осознание необходимости более полно и глубоко учитывать то, что агроландшафт является природно-антропогенной ресурсовоспроизводящей и средообразующей геосистемой.
В последние годы был опубликован ряд методологических работ (Каштанов А.Н., Заславский М.Н., 1982; Каштанов А.Н., Лисецкий Ф.Н., Швебс Г.И., 1994; Каштанов А.Н., Щербаков А.П., Володин В.М., 1996; Кирюшин В.И., 2000; Алексеевский Н.И., Коронкевич Н.И., Чалов Р.С., и др., 2000; Литвин Л.Ф., 2002; Голосов В.Н., 2003), в которых были заложены новые методические основы исследований почвенно-эрозионных процессов в агро-ландшафтах, их экологических последствий и разработки оптимальной системы мероприятий по предотвращению деградации почвенного покрова, загрязнения и заиления малых рек, повышению продуктивности сельскохозяйственных угодий.
Особенность новых, ландшафтных подходов в земледелии заключается в учете хозяйствующими на земле субъектами не только процессов, происходящих непосредственно на сельскохозяйственных угодьях вследствие агропромышленного производства, но и влияния их на всю совокупность при-родно-антропогенных процессов в экосистемах более высокого ранга. Границы таких экосистем удобнее всего совмещать с водосборами, используя бассейновый подход к дифференциации территории.
В условиях Центрального Черноземья реализовать подобный подход позволяет изучение в первую очередь процессов влагообмена: осадков, ре-
жима влажности почвогрунтов, поверхностного склонового стока, почвенно-эрозионных процессов на склонах, в овражно-балочной и речной сети. Вода, влага, с одной стороны, определяет энергоресурсный потенциал агроланд-шафтов, с другой стороны, вызывает сложнейший комплекс экологических последствий на освоенных сельским хозяйством территориях.
Изменяющиеся условия влагообмена в агроландшафтах приводят к развитию эрозионных процессов на пашне, активизации овражной эрозии, что, в свою очередь, вызывает деградацию почв, снижение уровня стояния грунтовых вод, изменение гидрологического, гидрохимического и биологического режимов водотоков и водоемов. Кроме того, потоки поверхностного и подземного стока являются агентами, непосредственно связывающими все элементы естественных и антропогенных экосистем, обеспечивая перенос вещества и энергии от элементарных природных комплексов к системам более высокого ранга. Эти энергетические потоки определяют условия формирования макро- и микрорельефа территории, условия вегетации растений, жизнедеятельность животных, микроорганизмов, особенности процессов формирования или разрушения почвенного покрова.
Поэтому регулирование почвенно-эрозионных процессов и гидрологического режима агроландшафтов является основным направлением в решении актуальных проблем сельскохозяйственного производства и связанных с ним экологических, экономических и социальных задач.
Целью работы является разработка методов моделирования и способов регулирования влагообмена и сопутствующих ему почвенно-гидрологических условий в естественных и антропогенных экосистемах различного таксономического ранга (от склонов до речных водосборов и рек) в Центрально-Черноземной зоне (ЦЧЗ).
Цель обусловила постановку следующих задач исследования:
1) разработать методику расчета, прогноза и оптимизации почвенно-гидрологических процессов на пахотных землях на основе статистической обработки многолетних данных наблюдений за режимом выпадения осадков
и формированием влагозапасов в почве различных естественных и антропогенных агроэкосистем;
выявить закономерности и формы проявления эрозионных процессов на пашне, изменения биоэнергетического потенциала агроландшафтов, оценить экологические последствия транспорта наносов и выноса биогенных веществ в гидрографическую сеть;
определить критерии оценки и оптимизации гидрологической, почвозащитной, биоэнергетической эффективности агротехнических и гидролесомелиоративных приемов и методы моделирования комплекса противоэро-зионных мероприятий на пашне;
разработать критерии и методику проектирования оптимальных с хозяйственной и экологической точек зрения комплексов противоэрозион-ных мероприятий на пашне
оценить влияние условий сельскохозяйственного производства и эрозионных процессов на пашне на сток рек, их гидрохимический и гидробиологический режим, русловые процессы.
Объекты исследований. Для статистического анализа исследуемых явлений и процессов использованы практически все доступные и методически выдержанные данные наблюдений за осадками, динамикой влагозапасов, стоком воды и смывом почвы. Обобщены материалы сети метеорологических и гидрологических наблюдений территориальных управлений Государственного контроля природной среды (Гидрометеослужбы), в том числе всех стоковых станций Европейской территории России и государств СНГ, данные агрометеорологической сети ЦЧЗ, материалы зональных НИИ сельского хозяйства, материалы опытов, проведенных научными центрами РАСХН и РАН, в том числе исследования автора и ученых ВНИИЗиЗПЭ и Института географии РАН (всего несколько тысяч годоопытов).
Для анализа влияния сельскохозяйственной деятельности на гидрологический режим, химический состав воды и русловые процессы в агроланд-шафтах ЦЧЗ использованы данные многолетних наблюдений на реках Кур-
ской и сопредельных областей, на водомерных постах и гидрологических станциях УГКС ЦЧО, службы мониторинга Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды Курской области и других организаций, в том числе использованы данные экспедиционных исследований поверхностных водотоков и водоемов, организованных и проведенных под руководством автора в период с 1995 по 2003 год при участии студентов, аспирантов и преподавателей Курского государственного университета.
Моделирование эффективности противоэрозионных комплексов выполнено для конкретных рабочих участков, расположенных на склонах северной и южной экспозиции, на черноземных и серых лесных почвах разной степени смытости в хозяйствах Курской области.
Научная новизна работы состоит в разработке и совершенствовании экосистемного подхода к ведению сельскохозяйственного производства на ландшафтной основе, учете биоэнергетических особенностей функционирования агроландшафтов, оптимизации антропогенных воздействий в агроэко-системах. Полученные в процессе исследования результаты развивают теоретические и методические основы адаптивно-ландшафтного земледелия.
Эти положения реализованы путем использования в качестве критериев оптимизации комплексов противоэрозионных мероприятий допустимых уровней стока и смыва, впервые дополненных понятием "компенсированный смыв". Компенсированный смыв рассчитывается с учетом интенсивности почвенно-эрозионных процессов и базируется на учете баланса гумуса и органического вещества почвы в зависимости от условий ведения сельскохозяйственного производства.
Методами математического моделирования выполнена оценка эффективности почвозащитных комплексов агролесогидромелиоративных мероприятий на пашне. Разработана новая система критериев оценки эффективности противоэрозионных мероприятий в агроландшафтах, учитывающая их взаимодействие с природно-территориальными комплексами различного ранга.
Выявлена почвозащитная роль органического вещества в процессе функционирования агроландшафтов, в том числе пожнивных остатков, нетоварной продукции и других органических удобрений.
Практическая значимость полученных результатов исследований:
созданная на базе статистической обработки обширного объема данных наблюдений математическая модель водной эрозии позволяет с высокой степенью надежности оценивать последствия эрозионных процессов при сельскохозяйственном использовании земельных угодий;
разработанные методы и критерии позволяют определить оптимальные комплексы противоэрозионных агротехнических, гидро- и лесомелиоративных мероприятий на пашне;
оптимизация гидрологического режима почвогрунтов обеспечит снижение смыва почвы с пашни, повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий, сохранение или расширенное воспроизводство почвенного плодородия;
методы биологической индикации состояния водных биоценозов адаптированы для условий Курской области и внедрены в ее систему экологического мониторинга.
Исследования выполнялись в рамках программы экологического мониторинга, разработанной для Курской области с целью усиления контроля за загрязнением водных ресурсов, воспроизводством рыбных запасов и улучшением кормовой базы ихтиофауны; в течение 1995-2000 гг. изучалось состояние водных растений и животных в водоемах и водотоках области.
Основные защищаемые положения:
метод расчета и прогноза влагозапасов в почве на основе метеорологических данных и территориальных закономерностей динамики влагозапасов;
математическая модель формирования ливневого и талого стока и смыва на различных почвах, с различных агрофонов и в условиях примене-
ния противоэрозионных водорегулирующих приемов и их комплексов на пашне;
методы оценки водорегулирующей и почвозащитной эффективности противоэрозионных приемов и их комплексов на сельскохозяйственных землях с учетом баланса гумуса и органического вещества почвы, допустимого и компенсированного смыва;
метод биоиндикационной оценки влияния почвенно-гидрологических процессов на пашне и хозяйственной деятельности на режим стока и качество воды в речной сети, состояние и динамику развития аквальных природных комплексов;
направление и интенсивность русловых процессов в малых и средних реках в зависимости от интенсивности и особенности сельскохозяйственного освоения их водосборов.
Реализация полученных результатов. Результаты исследований, полученные автором, были использованы в методических рекомендациях по проектированию комплексов противоэрозионных мероприятий на расчетной основе (Курск, 1985), в рекомендациях по регулированию почвенно-гидрологических процессов на пахотных землях (Курск, 2000), в программе экологического мониторинга Курской области (1995-2000 гг.), в комплексной программе "Экологическая безопасность и охрана природных ресурсов Курской области" (1998-2000 гг.), в международной программе ПРООН-ГЕФ (UNDP-GEF) «Экологическое оздоровление бассейна Днепра» (2001-2003), а также при проектировании и внедрении на очистных сооружениях городов Железногорска и Дмитриева систем доочистки биологически очищенных сточных вод методом биоплато, защищенным патентом на изобретение.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 29 научных и научно-практических конференциях, симпозиумах, совещаниях в том числе на:
Первой Приморской научно-практической конференции по гидрологическим расчетам и использованию водных ресурсов (Владивосток, 1975);
Всесоюзной конференции "Теоретические основы противоэрозионных мероприятий" (Одесса, 1979); Всесоюзной конференции "Современные аспекты изучения эрозионных процессов" (Новосиборск, 1980); Научно-практической конференции "Молодые ученые и специалисты сельскому хозяйству" (Курск, 1984); Международной научной конференции "Современные экологические проблемы провинции" (Курск, 1995); Юбилейной конференции ВНИИЗиЗПЭ (Курск, 1995); Международной научной конференции "География на рубеже веков: проблемы регионального развития" (Курск, 1999); V и VII международных симпозиумах "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" (Белгород, ВИОГЕМ, 1999, 2003), IV IOSTE симпозиуме для стран Восточной и Центральной Европы (Курск, 2003); пленарных совещаниях Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Волгоград, 2000; Краснодар, 2002; Курск, 2003); международных конференциях по Программе экологического оздоровления Днепра (Смоленск, 2001, 2002, Минск , 2002, Киев, 2002, 2003, Харьков, 2003), международной научно-практической конференции "Модели и технологии оптимизации земледелия" (Курск, 2003).
Публикации. Основное содержание и результаты изложены в 47 научных работах, включая 4 монографии написанных в соавторстве.
Динамика влагозапасов в вегетационный период в почвах различных агроэкосистем и природных экосистем
Почвенная влага - один из основных элементов динамики и состояния природных и агроэкосистем (АЭС). Именно ее недостаток для большей части зерновых районов нашей страны выступает как лимитирующий фактор, обусловливающий потери урожая. Поэтому изучение влагозапасов является одной из основных задач при организации мероприятий по регулированию гидрологического режима агроландшафтов. В этой связи наблюдения за влажностью почвы во всем спектре геосистем того или иного района рассматриваются как важный раздел геофизического блока геосистемного мониторинга, научные и методические основы которого сформулированы И.П. Герасимовым (1982) и развиты A.M. Грином (1982, 1984) и другими исследователями. На сети станций Госкомгидромета и других ведомств взятие проб почвы для определения ее влажности проводится не чаще одного раза в декаду с использованием термостатно-весового метода: отобранные с разных глубин пробы взвешиваются до и после сушки. Метод требует многократной повторносте, но, даже в случае выполнения всех требований, возможны существенные погрешности. Например, нельзя отбирать пробы сразу после дождя: при бурении скважины для взятия образцов вода из верхних переувлажненных слоев почвы попадает в нижележащие, что приводит к грубым ошибкам. В результате не всегда удается выдержать сроки отбора проб. Накопленный к настоящему времени обширный материал по различным экосистемам позволяет более глубоко проанализировать и осмыслить закономерности динамики почвенной влаги, перейти от качественной к статистически обоснованной оценке влагозапасов и разработке методов их расчета и прогноза. Параллельно с анализом статистической структуры колебаний влагозапасов в разных почвенных горизонтах естественных и агроэкосистем в вегетационный период нами разработан метод расчета влагозапасов в разных слоях почвы по данным наблюдений о влажности только в одном слое-индикаторе, колебания влаги в котором в наилучшей степени характеризуют изменения увлажнения как всего почвенного профиля, так и остальных его горизонтов. Естественные экосистемы, представленные степью некосимой, степью косимой, лесом, сохранились только в Стрелецком участке Центрально-Черноземного государственного заповедника им. профессора В.В. Алехина.
Агроэкосистемы представляют собой сельскохозяйственные угодья, занятые пропашными культурами (картофель), озимыми зерновыми (пшеница, ячмень) и паром. Сельскохозяйственные культуры находятся в севообороте, поэтому каждый год формирование указанных агроэкосистем происходит в разных местах. Однако эти культуры размещены в пределах одного хозяйства, на одних и тех же почвах, и наблюдения за влажностью почвы проводятся под теми же культурами. Это позволяет рассматривать декадные многолетние данные наблюдений для этих агроэкосистем так же, как и для природных, не меняющих ежегодно своего местоположения, как фазово-однородные статистические ряды. Для природных геоэкосистем, расположенных в ЦЧЗ, анализировались влагозапасы в почвенных горизонтах 0 - 20, 0 - 50, 0 - 100, 0 - 150, 50 - 100 и 100 — 150 см; для агроэкосистем - соответственно 0 — 20, 0 — 50, 0 — 100, 50 -100 см. Такой набор градаций обусловлен, во-первых, тем, что наибольший научный интерес и практическое значение имеют изменения влажности в верхних горизонтах, особенно в пахотном слое (0 — 20 см) и слое 0 — 50 см, являющемся, как это будет показано ниже, слоем-индикатором общей динамики влаги в почвенном профиле (Кумани М.В., Ясинский СВ., 1986). Во-вторых, по данным большинства авторов, именно в верхних горизонтах черноземных почв влажность меняется в широких пределах, а с глубиной ее колебания постепенно затухают (Коковина Т.П., 1974; Кумани М.В., Ясинский СВ., 1987). Поэтому из наблюдений за влажностью 3-метрового слоя почвы природных геоэкосистем в ЦЧЗ использованы материалы только 1,5 м. На сельскохозяйственных полях наблюдения ведутся только до глубины 1 м, поэтому для этих объектов пришлось ограничиться верхними почвенными горизонтами. Кроме того, следует отметить, что в природных геоэкосистемах измерялись полные влагозапасы, а в агроэкосистемах -продуктивные. В дальнейшем мы оперируем именно этими величинами. Для проведения статистического анализа и обоснования выбора слоя-индикатора в первую очередь были установлены статистические характеристики колебаний влагозапасов в различных слоях почвы. Для этого за весь период наблюдений были рассчитаны средние многолетние запасы влаги в разных слоях Wh и критерии ее изменчивости: среднее квадратическое отклонение а, дающее представление об абсолютной изменчивости ряда, и коэффициент вариации Cv, характеризующий относительную изменчивость в долях от среднего значения. Формулы для расчета этих параметров широко известны. Результаты расчетов приведены в табл. 1. В среднем за теплый период максимальное количество почвенной влаги наблюдается в лесу; близкое к максимальному содержится в почве под паром, причем с глубиной происходит сначала выравнивание влагозапасов, а затем количество влаги под паром оказывается даже больше, чем в лесу: в слое 0 - 20 см - на 15 мм, в слое 0 — 50 см - на 17, в слое 50 - 100 см — на 3 мм больше в лесу, а в слое 100 — 150 см - уже на 2 мм больше на пару. Близкое к условиям парового поля увлажнение наблюдается и под картофелем. По условиям увлажнения косимая и некосимая степи почти не различаются, очень близки к ним и влагозапасы под озимыми. Запасы влаги в верхнем 20-сантиметровом слое почвы во всех исследуемых системах почти на 20 мм меньше, чем в лесу, и различаются незначительно - на 2 - 4 мм, то есть за счет физического испарения и транспирации происходит иссушение верхних почвенных горизонтов во всех системах и только в лесу, под тенистым пологом деревьев, создаются благоприятные условия для сохранения влаги в верхних почвенных горизонтах. Особенно следует обратить внимание на то обстоятельство, что в агро-экосистемах с глубины 50 см, т. е. уже в слое 50-100 см влаги больше, чем в почве степных экосистем в том же слое: под озимыми на 15-20 мм, а под картофелем разница составляет уже 32-38 мм. В этом слое на картофельном поле влаги больше, чем под паром и даже под лесом. Дело в том, что в искусственных агроценозах культурные растения практически не используют влагу из этого и более глубоких почвенных горизонтов вследствие слаборазвитой корневой системы, особенно в начале вегетационного периода. Естественная степная и особенно лесная растительность, благодаря хорошо развитой корневой системе в ненарушенной сельскохозяйственной обработкой структуре почвенных капилляров, использует влагу и из более глубоких горизонтов.
Этот вывод подтверждается и данными по изменчивости влагоза-пасов - значениями о и Cv, приведенными в табл. 1. Относительная изменчивость влагозапасов под лесом с глубиной почти не меняется: коэффициент вариации 0,24 в слое 0 - 20 см и 0,21 в слое 100 -150 см; в степных геоэкосистемах разница значительно больше — от 0,34 до 0,16 в тех же слоях. Наименьшие значения Cv характерны под паром и картофелем - 0,16 - 0,07. Наибольшая относительная изменчивость в верхних горизонтах наблюдается в степных геоэкосистемах, менее изменчивы влагоза-пасы в лесу, и еще меньше они меняются на пару и картофельном поле. В нижнем же из рассматриваемых горизонтов (100 - 150 см) больше всего меняются влагозапасы в лесу, а меньше всего - на пару и картофельном поле: в слоях 50 - 100 и 100 - 150 а - 9 - 13 мм, Cv - 0,07 - 0,09, т. е. составляет всего 7 - 9% от средних многолетних влагозапасов. Основные причины меньшего расхода влаги из нижних почвенных горизонтов в вегетационный период и, следовательно, их минимальной изменчивости под паром и под картофелем: во-первых, отсутствие (на пару) или слабое развитие (у картофеля) корневой системы, а, следовательно, и отсутствие транспирации растениями влаги из нижних горизонтов; во-вторых, влияние эффекта "закрытия влаги", когда после весеннего снеготаяния проводится культивация поверхности почвы, что уменьшает физическое испарение. Особое место среди исследованных агроэкосистем занимают озимые. Здесь наблюдаются наименьшие запасы влаги в верхних горизонтах 0 — 20 и 0-50 см. Хотя значения средних многолетних влагозапасов в слое 0 - 50 см под озимыми, показанные в табл. 1, близки к влагозапасам в степных экосистемах, на самом деле они меньше. Дело в том, что после уборки озимых, в конце июля-августа и начале сентября, наблюдения за влажностью почвы на этих полях не ведутся, а это самый сухой период года в ЦЧЗ. Получается, что средние многолетние значения сезонных влагозапасов в этих агроэкосисте-мах несколько завышены. При наименьших влагозапасах во всех горизонтах почвенного профиля отмечается наибольшая их изменчивость, свидетельствующая о том, что под озимыми влагозапасы из всех исследуемых систем самые изменчивые и неустойчивые. Последнее обстоятельство важно для выбора слоя-индикатора.
Динамика накопления влаги в осенне-зимний период и формирование весенних влагозапасов в почве
Земледелие Центрально-Черноземных областей периодически испытывает воздействие засушливых явлений, что связано в значительной мере с несоответствием общепринятых технологий возделывания сельскохозяйственных культур и колебаний климата. Большим резервом подъема урожайности сельскохозяйственных культур и повышения их устойчивости является рациональное использование атмосферной влаги, особенно осадков зимнего периода (Система управления..., 1996). Исследованиями установлено, что в областях ЦЧЗ на формирование урожая озимых и яровых культур из весенних запасов влаги расходуется 70 - 75% и лишь 25 - 30% формируется за счет летних осадков, поэтому большое значение имеет выявление закономерностей снеготаяния и весеннего водопоглощения (Герцык В.В., Роде А.А. 1980; Кумани М.В., 1978, 1984; Синицина Н.И. и др., 1973). Кроме того, при расчетах влагозапасов почвы в вегетационный период, оценке и расчетах условий формирования эрозионных процессов во время весеннего снеготаяния необходимы данные о запасах воды во всех почвенных горизонтах. Важным элементом внутригодового режима влажности мощных черноземов Центральной лесостепи является весенняя влагозарядка, которая, как правило, приходится на март - начало апреля. Считается, что в это время в результате таяния снега в почву попадает некоторое количество влаги, и верхние горизонты почвы до глубины одного метра насыщаются влагой, зачастую до наименьшей полевой влагоемкости. Так как от весенней влагозарядки почв на сельскохозяйственных угодьях в существенной мере зависят условия вегетации растений, их урожайность, еще до начала снеготаяния на полях Центрально-Черноземных областей рекомендуется проводить мероприятия по снегозадержанию, а также и другие зимние мелиорации, цель которых - увеличить количество влаги, попадающей весной в почву. Эффективность всех этих мероприятий зависит от следующего важного обстоятельства — величины весеннего склонового стока воды. Из-за особенностей климата Центрального Черноземья к моменту весеннего снеготаяния почвы чаще всего находятся в мерзлом состоянии, кроме того, они, как правило, уже насыщены влагой, их водопроницаемость близка к нулю, и значительная часть талых вод сбрасывается в гидрографическую сеть, вызывая интенсивные эрозионные процессы. Очень важно установить, какая часть снеговых вод попадает в почву и стекает с полей, есть ли смысл задерживать снег на полях, т.к. вместо увеличения запасов влаги в почве мы можем вызвать усиление эрозионных процессов.
Для оценки всех составляющих весенней влагозарядки почв за 15-летний период наблюдений с 1969 по 1983 гг. для слоев 0 - 20, 0 - 50 и 0 -100 см собраны и проанализированы значения продуктивной влаги в почве под зябью и озимыми культурами за следующие сроки: - осень: последнее осеннее измерение влажности почвы перед установлением снежного покрова, как правило, последняя декада ноября; - зима: последнее зимнее измерение влажности почвы перед весенним снеготаянием, чаще всего последняя декада февраля; - весна: первое измерение после окончания весеннего снеготаяния и оттаивания почвы, чаще всего первая декада апреля. Весенний срок наблюдений не очень показателен. Отбор проб ведется не сразу после окончания снеготаяния, когда почва еще не совсем оттаяла и ее верхние горизонты перенасыщены влагой, а после того как почва немного подсохла и можно проводить ее бурение почвенным буром для отбора проб на влажность, не опасаясь, что влага из верхних переувлажненных горизонтов попадет в нижние и будут получены неверные результаты. Для анализа особенностей влагозарядки почв нами использованы за тот же период данные о запасах воды в снеге перед снеготаянием (максимальная снегосъемка) и осадках за период между максимальной снегосъемкой и первым весенним измерением влагозапасов в почве. Таким образом, мы можем полностью оценить все приходные статьи водного баланса изучаемых угодий. Все данные приведены на рис. 4 и 5. Кроме самих значений влагозапа-сов, оценивались их изменения за периоды с осени до зимы (З-О), с зимы до окончания весеннего снеготаяния (В-3) и с осени до окончания весеннего снеготаяния (В-О) - приложения 7-12. В таблице 6 показаны также запасы воды в снеге перед началом весеннего снеготаяния (снегозапасы) и слои осадков, выпавших за период снеготаяния (осадки), подсчитана их сумма, характеризующая возможное увеличение запасов в почве за период снеготаяния. Интересно сравнить запасы воды в почве с наименьшей влагоемкостью (НВ), значения которой взяты из работы В.В. Герцык (1979). Поскольку нами использованы продуктивные влагозапасы, то для сравнимости наших табличных данных из НВ мы вычитаем влажность завядания (ВЗ)., Тогда получаем для каждого из слоев максимально возможное количество продуктивной влаги: 0 - 20 см - 55 мм, 0 - 50 см - 100 мм, 0 - 100 см - 195 мм. Из данных, представленных в таблице 6, на рис. 4 и 5 и приложениях 7 - 12, очевиден ряд очень важных особенностей динамики почвенной влаги в черноземах Центральной лесостепи. ,. В верхних 20 и 50-тисантиметровых слоях почвы и под озимыми, и на зяби за холодный период года происходит накопление влаги. За период с осени до весны примерно в 50% случаев количество влаги в 20-ти сантиметровом слое возрастает на 10-30 мм под озимыми и на 10-85 мм на зяби. В 50% лет увеличения влагозапасов не происходит, иногда же они убывают (например, на 14 мм в 1980 году на зяби в слое 0-20 см).
Но самое важное, что это возрастание происходит в основном до весеннего снеготаяния. За весну количество влаги в почве убывает в 60 - 70% случаев, причем в слое 0 - 20 см потери составляют до 40 мм, а в слое 0 - 50 см - до 91 мм. Сущест венное увеличение влажности почвы за весну произошло только один раз — в 1976 г. Причина этого в том, что в более чем 90% лет к концу зимы верхние горизонты почвы содержат влаги больше, чем могут удержать, то есть более НВ. За время осенних дождей и зимних оттепелей здесь скапливается большое, зачастую избыточное количество влаги, причем в 50% лет этот избыток возникает уже с осени (Кумани М.В., Шульга С.А., 1987). Весной на полях Черноземья можно часто наблюдать следующую картину. После полного или почти полного схода снежного покрова весеннее половодье на полях продолжается: с совершенно черных склонов текут обильные ручьи, производящие, кстати, максимальную эрозионную "работу". Этот сток формируется за счет водоотдачи из верхних переувлажненных почвенных горизонтов по мере их оттаивания. Просачивания же влаги в более глубокие слои почвы в это время почти не происходит, так как под оттаявшей почвой лежит мерзлая, образующая запирающий слой (Слесарев В.Н., 1984). Накануне снеготаяния в течение всего периода наблюдений запасы воды в слоях 0-20и0-50смс учетом запасов воды в снеге и осадков за период снеготаяния и на зяби, и под пропашными культурами в 1,5-2 раза превышали НВ, то есть водоудерживающую способность верхних почвенных горизонтов. Очевидно, что если исходить из водоудерживающей способности верхнего полуметрового слоя почвы, то снегозадержание в условиях Центрального Черноземья не только бесполезный, но даже вредный агротехнический прием, приводящий к усилению водной эрозии и выносу с полей необходимых для растений минеральных и органических соединений. В верхнем метровом слое почвы картина, в общем, такая же: в 50% лет насыщение почвы происходит с осени до начала снеготаяния, а в 30 - 40% случаев - за период снеготаяния, в остальных случаях почва уходит переувлажненной в зиму уже с осени. Следует обратить внимание на то, что к окончанию весеннего снеготаяния в 20 - 30% лет метровый слой почвы содержит на 35 - 45 мм влаги меньше, чем НВ. То есть, в нижней части почвенного профиля остаются "резервные емкости", где могла бы удерживаться влага, но вода не попадает сюда из-за наличия запирающего льдистого слоя. Необходимая растениям влага теряется на сток и непродуктивное испарение с поверхности почвы.
Метод расчета ливневого стока и смыва почвы в Центрально-Черноземной зоне
Метод расчета ливневого стока со склонов и балочных водосборов площадью до 2 км разработан автором в лаборатории гидрологии ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии. Поскольку ряд использованных в ней приемов несколько отличается от нормативных рекомендаций, остановимся на этом вопросе несколько подробнее. Расчеты рекомендуется производить по формуле: hpo/o = hK -hpo/o -Кл -Ka -Kn -Kj, (5) где hp% - слой ливневого стока обеспеченностью р%, мм; hK — картированный слой ливневых осадков (мм) за интервал времени =30 мин. 50%-ной обеспеченности; hp% - коэффициент перехода от картированного слоя осадков к слоям стока различной обеспеченности, определяются в зависимости от типа почв; Ки Кф Кп, Кл, — коэффициенты, учитывающие влияние на ливневой сток уклона, агрофона (то есть микрорельефа поверхности почвы, зависящего от выращиваемой сельскохозяйственной культуры, состояния посевов и характера вспашки), агротехнических противоэрозионных приемов и залесенности склонов (водосборов). Формула (5) представляет собой региональную модификацию метода, разработанного Государственным Гидрологическим институтом (Инструкция ВСН-04-77, 1979), являющегося основным, официально рекомендованным для практического использования. Как известно, формула ГГИ для водосборов площадью менее 1 км2 имеет вид: hP% = jfr) -Hi% -f-hp% , (6) где Н]% — суточный слой осадков (мм) вероятностью превышения/7=1%, определяется по карте; /— объемный коэффициент стока, устанавливается в зависимости от типа почв и суточного слоя осадков Hi%; Аро/о - переходный коэффициент от вероятности превышения р=1% к другой обеспеченности; j(x) — ордината осредненной кривой редукции суточного слоя осадков, соответст- вующая времени т =150 минут, то есть коэффициент перехода от суточного слоя осадков к слою осадков за 150 минут с наиболее интенсивными ливневыми осадками. Оба расчетных уравнения (5) и (6) относятся к классу формул предельной интенсивности, по которым слой стока определяется в зависимости от слоя осадков в наиболее интенсивную фазу ливня, называемую в дальнейшем ливневым ядром. Их основным расчетным параметром является интенсивность стокоформирующих осадков, поэтому точность расчетов стока, а следовательно, и смыва почв зависит от того, насколько надежно определена максимальная интенсивность ливней заданной обеспеченности за интервалы времени, равные продолжительности склонового добегания.
Исходя из предпосылки, что в формировании паводков на малых водосборах участвует только наиболее интенсивное ядро дождя, авторы метода ГГИ рекомендуют при расчетах максимального слоя ливневого стока с водо-сборов площадью менее 1 км использовать слой осадков за 150-минутный интервал. Другие авторы в качестве основного расчетного картируемого параметра, в отличие от метода ГГИ, используют характеристики ливневого ядра за более короткие (10-30-минутные) интервалы времени (Вишневский П.Ф., 1974; Заславский М.Н., Докудовская О.Г., Тарабрин Н.П. и др., 1981; Литвин Л.Ф., Краснов С.Ф. Добровольская Н.Г., 2001; Wischmeier W.H. и др., 1971, 1978; Foster G.R., 1974, 1987), что, на наш взгляд, более обосновано, причем оптимальным следует считать 30-минутный интервал Обоснованием выбора этого интервала может служить то обстоятельство, что по данным ряда исследований (Нежиховский Р.А., 1971; Инструкция ВСН-04-77, 1979) он соответствует средней продолжительности склонового добегания в лесостепной зоне практически для любых сочетаний длины, уклона и коэффициента шероховатости склонов. Кроме того, анализ связи максимальной интенсивности стокообразующих осадков за 30 минут с тем же параметром за другие интервалы времени показал наиболее тесную кор- реляцию данной характеристики с интенсивностью ливней за время от 5 до 150 минут (табл. 9) (Кумани МБ., Павлов С.А., 1981). К недостаткам подхода ГГИ можно отнести то, что в его основу положена карта слоев суточных осадков 1%-ной обеспеченности. Как известно, суточные слои осадков определяются за календарные метеорологические сутки. Это приводит к тому, что дождь может быть "разорван", часть выпавших осадков отнесена к одной дате, а часть - к другой, возможные погрешности, как очевидно, могут достигать 50% слоя дождя. В результате кривые обеспеченности суточных слоев осадков содержат существенные случайные и систематические погрешности (Соседко М.Н., 1980), что сказывается и на точности их картирования. Анализ карты ГГИ (прилож. 15) для Центрально-Черноземной зоны выявляет случайный характер изолиний Hio/o, они не отражают физико-географических особенностей региона, его рельефа, особенностей атмосферной циркуляции и влагопереноса. На определенном этапе, когда более 40 лет назад создавалась карта ГГИ, данных наблюдений за ливнями с использованием самописцев дождя -плювиографов, было недостаточно, что привело к необходимости опираться на более обширный материал осадкомерной сети. К настоящему времени объем плювиометрических данных значительно возрос, их вполне достаточно для построения необходимых карт. Следуя традиции использования суточных осадков, можно было бы вместо календарных использовать скользящие суммы осадков за эквивалентный временной интервал - 1440 минут (24 часа).
Но данные табл. 9 наглядно иллюстрируют, что этот параметр практически не связан с характеристиками ливневого ядра и, следовательно, не отражает особенностей формирования ливневого стока на исследуемой территории. Из всего сказанного следует вывод, что использование суточных слоев осадков нерационально. Поэтому в предлагаемой методике за расчетную основу принят слой осадков за интервал, равный 30 мин. Следующий важный вопрос - на какую обеспеченность строить карту. В отечественных инструктивных материалах, как правило, используют параметры дождя редкой (1%) повторяемости (Ресурсы поверхностных вод, 1971, 1973; Инструкция ВСН-04-77, 1979). В зарубежной практике для расчетов противоэрозионных мероприятий берут средние многолетние значения характеристик дождей (Wischmeier W.H., Smith D.D., 1978; Flaxman Е.М., 1972). Интенсивность ливней в Центрально-Черноземной зоне - весьма изменчивая величина, с коэффициентами вариации Cv = 0,4-0,7, кривые обеспеченности ассимметричны Cs = 3 Cv (эти характеристики получены по материалам метеостанций с наиболее продолжительными рядами наблюдений). Сильная изменчивость и асимметричность кривых обеспеченности приводят к тому, что в интервале редких повторяемостей, превышающих 5-10%-ный уровень, эмпирические кривые обеспеченности становятся неопределенными (например, как правило, наибольшее в ряду значение в полтора — два раза больше, чем второе по абсолютной величине). Естественно, что это приводит к большим ошибкам при экстраполяции в область высоких обеспеченностей, тем более 1 %-ной. Погрешностей такой экстраполяции можно избежать, если использовать квантили низкой обеспеченности (Герасименко В.П., Кумани М.В., 1983; Кумани М.В., 1979, 1979а). Средние многолетние значения, определяемые по сравнительно коротким (порядка 10-15 лет) рядам максимальных слоев ливневых осадков также могут содержать ошибку за счет включения в ряд ливня редкой повторяемости. Поэтому в предлагаемой методике используется наиболее устойчивая характеристика кривых обеспеченности - 50%-ное значение слоя ливня за 1=30 мин, которое является основным картируемым параметром, отражающим изменение по территории интенсивности ливневого стока в зависимости от физико-географических условий.
Оценка изменения водного режима рек под влиянием хозяйственной деятельности с помощью двойных интегральных кривых
Количественная оценка влияния хозяйственной деятельности на речной сток усложнена тем, что на естественные колебания стокообразующих факторов накладывается направленный характер антропогенных воздействий, установить начало которых зачастую затруднительно. Антропогенные факторы могут оказывать как противоположное, так и совпадающее воздействие на различные элементы водного режима. Естественные колебания стока весьма существенны и могут превосходить, а, следовательно, маскировать влияние хозяйственной деятельности. Количественная оценка влияния хозяйственной деятельности на водные ресурсы предполагает решение трех основных задач: 1) установить начало нарушений водного режима, начиная с которого последующие значения стокообразующих факторов могут считаться неоднородными; 2) определить значимость расхождений в однородности выборок; 3) рассчитать выявленные изменения стокообразующих факторов и элементов водного режима. Наиболее простым способом установления начала изменений водного режима под влиянием хозяйственной деятельности является анализ сведений о сроках ввода в эксплуатацию отдельных объектов и начале осуществления различных мероприятий, оказывающих влияние на режим поверхностных и подземных вод, а также о темпах и масштабах развития хо- зяйственной деятельности на водосборе. Но эти сведения не всегда доступны, а, когда исследуется воздействие сельскохозяйственного производства на сток, то нет и надежных способов оценки его влияния. Для решения этой сложной задачи предложено использовать графоаналитический способ (Доброумов Б.М., Устюжанин Б.С., 1980), который заключается в сравнении стока, его различных элементов в рассматриваемых створах, испытывающих влияние хозяйственной деятельности, со стоком рек-аналогов, находящихся в естественных условиях или, по крайней мере, не подверженных влиянию изучаемых хозяйственных факторов. В условия ЦЧО подобрать такие реки-аналоги не подверженные влиянию сельскохозяйственного производства невозможно, так как распаханность всех водосборов превышает 60 — 80%, а остальные территории заняты сенокосами, пастбищами или урбанизированны. Поэтому для сравнения приходится использовать климатические характеристики водосборов -слои осадков и температуры воздуха
Для выявления хозяйственных воздействий строятся и анализируются двойные интегральные кривые (ДИК) суммированных значений стока, выраженных в расходах, слоях или модульных коэффициентах и метеорологических характеристик. Такие интегральные кривые позволяют графически установить границы периодов с естественным и нарушенным стоком и периодов с различным уровнем нарушений. ДИК широко используются российскими и зарубежными учеными. Графические связи строятся между двумя последовательно суммированными величинами, представляющими собой многолетние ряды гидрометеорологических наблюдений. Точки кривых, определяющих двойную интегральную кривую, характеризуются координатами Xoi=2Xii; Х02-2Х21, где Xoi и Хо2 - координаты ДИК для 1 и 2 ряда гидрометеорологических величин, соответственно; Хц и Х21 — значения гидрометеорологических величин 1 и 2 ряда в /-тый год наблюдений, суммирование ведется за весь пе- риод одновременных наблюдений с i=l по i=N, т.е. с первого по последний год наблюдений. В случае связанных между собой двух временных рядов интегральная кривая будет показывать незначительные случайные колебания рассматриваемых величин по обе стороны от прямой линии, определяющей ее общее направление. Систематическое отклонение, обусловленное неоднородностью данных и отражающее влияние хозяйственной деятельности, определяется по изменению направления прямой с момента времени, в который появляются причины неоднородности. Кроме качественной оценки изменений однородности рядов гидрологических величин под влиянием хозяйственной деятельности, метод ДИК позволяет получить их количественную оценку и восстановить естественные значения стока для периодов его нарушений. В этом случае естественные значения стока (годового, весеннего, меженного) восстанавливаются на основе простейшей формулы: Qe,=k-Qa, (57) где Qe.e— восстановленный естественный сток; Qa- сток реки-аналога за тот же период; к - отношение стока исследуемой реки за период естественного, ненарушенного водного режима к стоку реки-аналога за этот же период. Уравнение (77) применимо, если продолжительность синхронных наблюдений за период ненарушенного стока не менее 10 лет и коэффициент корреляции между ними более 0,8. Если есть несколько рек-аналогов, то в качестве восстановленного значения принимается осредненное по всем ним. Величина нарушений стока dQ определяется по разности между восстановленными Qee и фактическими нарушенными Q$,.H. значениями стока: dQ = Qe.e-Q p.H. (58) Нами предпринята попытка оценить влияние хозяйственной деятельности на сток р. Тускарь. Наиболее наглядно это позволяют сделать двойные интегральные кривые (ДИК) гидрологических и климатических характеристик. По результатам корреляционного анализа для каждой из гидрологических характеристик была выбрана наиболее тесно связанная с ней характеристика климатическая. Для образовавшихся пар были рассчитаны ДИК, представленные на рис. 28-31. Особенность ДИК в том, что отклонение кривых связи характеристик стока и осадков к оси стока свидетельствует об увеличении коэффициента стока, то есть доли осадков, поступающих подземным или поверхностным путем в русло реки. Отклонение к оси осадков или температур говорит о снижении доли осадков, питающих сток рек, то есть о снижении коэффициента стока для анализируемого гидрологического периода. На рис. 28 представлена ДИК летнего минимального месячного стока и осадков летнего периода. На кривой выделяются шесть периодов. Первый период - с 1925 по 1939 г. Это годы, когда расходы летней межени были минимальными за весь период наблюдений в сочетании с осадками и температурами, близкими к средним значениям. Второй период - с 1940 по 1955 г. Расходы воды этого периода были близки к средним многолетним, температуры близки к норме, а осадки выше нормы. Третий период - с 1955 по 1960 г. Сток и температуры близки к среднему значению, летние суммы осадков близки к средним значениям. Четвертый период - с 1960 по 1975 г. Сток близок, но немного ниже нормы, температуры ниже нормы, летние осадки существенно ниже нормы. Пятый период - с 1976 по 1980 г. Сток намного превышает норму, осадки близки к норме, температуры немного ниже нормы. Шестой период - с 1981 по 2001 г. Сток намного превышает норму, осадки и температуры близки к норме. Очевидно: часть переломов ДИК на рис. 28 связана с климатическими тенденциями, но большую часть из них климатическими факторами объяснить невозможно.
Следовательно, здесь проявились изменения ха- рактера хозяйственной деятельности на водосборе Тускари и других рек изучаемого региона. В основном это изменения сельскохозяйственного производства, связанного с ним гидротехнического строительства и ирригационных мероприятий на водосборах и в поймах рек. Первый перелом приходится на 1939 г. До этого года осадки и температуры летнего периода были близки к средним многолетним значениям, а сток ниже нормы. После 1940 г. начался довольно продолжительный период с повышенными слоями летних осадков, а температуры летнего периода изменились мало. В результате в 1939 г. произошел перелом, после которого ДИК летнего меженного стока и летних осадков отклонилась к оси стока, то есть увеличился коэффициент стока. По-видимому, главная причина этого перелома - изменение климатических условий: во влажные летние сезоны второго периода, когда выпадало больше осадков, увеличились и коэффициенты стока. Кроме того, могли сыграть свою роль и изменения сельскохозяйственного производства в военные и первые послевоенные годы: сократились площади посевов и обработка полей с использованием сельскохозяйственной техники. Обработка почвы велась вручную или с использованием лошадей. Все это в совокупности привело к увеличению коэффициентов стока в летнюю межень второго периода по сравнению с первым. Следующий перелом пришелся на середину 50-х годов, наиболее он заметен после 1955 г. В этот период осадки и температуры близки к норме, а сток немного ниже. Но на ДИК летнего меженного стока и летних осадков продолжается отклонение к оси стока, то есть увеличился коэффициент стока. Это отклонение продолжается практически весь период с 1955 по 1960 годы. Поскольку резких изменений климатических условий в этот период не произошло, причины увеличения меженного стока связаны с хозяйственной деятельностью человека.
