Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Природные условия 12
1.1. Почвенно-климатические особенности Центрального района Нечерноземья 12
1.2. Физико-географические условия 14
1.3. Климатические условия 14
1.4. Естественная растительность 20
1.5. Геология и рельеф 21
1.6. Почвенный покров 24
Глава 2. Программа и методика, объекты и условия проведения исследований в лесоагроландшафтных комплексах 30
2.1. Программа и методика исследований 30
2.2. Характеристика объектов исследований 34
2.3. Гидрометеорологические условия в годы проведения исследований 39
Глава 3. Теоретическое обоснование применения против оэрозионных мероприятий 78
3.1. Рельеф как фактор современных эрозионных процессов 78
3.2. Закономерности формирования стока талых вод 81
3.3. Роль природных факторов в формировании стока 86
3.4. Характеристика поверхностного стока талых вод с разных угодий за 50 лет 93
3.5. Закономерности процессов смыва почв 96
Глава 4. Влияние контурных стокорегулирующих лесополос на природные факторы стока и эрозионно гидрологические процессы 104
4.1. Влияние контурных стокорегулирующих лесных полос различных конструкций на снегоотложение, промерзание и влажность почвы 104
4.2. Влияние контурных стокорегулирующих лесополос разной конструкций на водопоглощение, сток и смыв почвы 140
Выводы 157
Глава 5. Комплексное влияние контурных лесных полос, обработки почвы, почвозащитных севооборотов, гидротехнических сооружений на природные факторы, эрозионно-гидрологические процессы и урожайность сельскохозяйственных культур 159
5.1. Состояние вопроса 159
5.2. Влияние контурных лесных насаждений на снегозапасы и сток талых вод 166
5.3. Комплексное и взаимное влияние элементов противоэрозионного комплекса на эрозионно-гидрологические показатели и урожай 179
5.4. Изменения снегоотложения, промерзания и влажности почвы в системе контурных лесополос 192
5.5. Влияние полосного и крупнополосного размещения сельскохозяйственных культур на природные факторы стока 202
Выводы 209
Глава 6. Сток талых вод, эрозия почв, против оэрозионные мероприятия в садах 212
6.1. Общие сведения о поверхностном стоке и смыве почв в садах 212
6.2. Факторы формирования весеннего стока 228
6.2.1. Снегоотложение и промерзание почвы 228
6.2.2. Влажность почвы 234
6.3. Роль защитных лесных насаждений, агротехнических приёмов и гидротехнических сооружений в формировании стока и смыва почвы 239
6.4. Влияние противоэрозионных процессов на урожай плодовых культур, многолетних трав и люпина 258
6.4.1. Урожайность многолетних трав и люпина 258
6.4.2. Урожайность яблок 259
Выводы 262
Глава 7. Воспроизводство плодородия смытых почв 264
7.1. Ускоренное окультуривание эродированных земель 264
7.2. Формирование снежного покрова и замерзание почвы 267
7.3. Снеготаяние и оттаивание почв 271
7.4. Динамика влажности почвы 274
7.5. Влияние окультуривания на агрохимические показатели, водопроницаемость и агрегатный состав почвы 277
7.6. Эффективность ускоренного окультуривания смытых почв 284
Выводы 287
Основные выводы 288
Предложения производству 291
Литература 292
Приложения 329
- Климатические условия
- Закономерности процессов смыва почв
- Изменения снегоотложения, промерзания и влажности почвы в системе контурных лесополос
- Эффективность ускоренного окультуривания смытых почв
Введение к работе
Актуальность работы. Защита почв от деградации и опустынивания является проблемой первостепенной важности в природопользовании. По данным ФАО в мире деградировано 1,2 млрд. га земель. В Центральном районе Нечернозёмной зоны России на склоновых землях наблюдается сильный сток талых вод, что приводит к интенсивной эрозии и снижению почвенного плодородия. Развитию водной эрозии способствуют: климат, рельеф местности, геологическое сложение, неустойчивость почв к размывающему действию воды из-за неблагоприятных водно-физических свойств, осадки, несоблюдение почвозащитных мероприятий и другие факторы. На Среднерусской возвышенности почвы в значительной степени разрушаются водной эрозией. Например, в Орловской области смытые почвы составляют 40,7% всех земель. Интенсивное земледелие на склонах приводит к деградации сельскохозяйственных земель и снижению их продуктивности.
Охрана почв от эрозии – одна из главных проблем природопользования. Актуальность её возрастает в связи с всё более интенсивным использованием земель. Для успешной защиты почв от смыва и размыва необходимо знать закономерности эрозионных процессов, изучить особенности их проявления в зависимости от совокупности определяющих факторов. Необходимо продолжать последовательное освоение адаптивно-ландшафтных научно-обоснованных систем ведения хозяйства, применение почвозащитных методов обработки земли и проведения противоэрозионных мероприятий.
Проблема задержания и регулирования стока талых и ливневых вод на серых лесных почвах Центральной лесостепи (юге центрального района Нечёрнозёмной зоны Среднерусской возвышенности) остаётся пока нерешённой. Поверхностный сток изучен недостаточно, меры борьбы разработаны слабо. Для этого необходим переход на адаптивно-ландшафтное земледелие, обеспечивающее сохранение почв от деградации, повышение их плодородия и урожая сельскохозяйственных культур. Это в свою очередь требует системного подхода и новых методов исследований. Правильно разработанные почвозащитные приёмы позволяют не только предотвратить процессы водной эрозии, но и повысить продуктивность эродированных почв, урожайность сельскохозяйственных культур.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка научных основ и практических рекомендаций управления эрозионно-гидрологическим процессом (ЭГП) на основе выявления закономерностей влияния природных и антропогенных факторов. Достижение цели осуществлялось на основе анализа и систематизации имеющихся новых подходов, теоретического обоснования модели процесса, обобщения результатов экспериментальных исследований и разработки принципов управления эрозионно-гидрологическими процессами в агролесоландшафтах.
Для достижения поставленной цели требовалось решение следующих теоретических и прикладных задач разного уровня:
1. Выявить закономерности формирования стока талых вод и смыва почвы.
2. Теоретически обосновать и дать рекомендации по комплексу изучаемых противоэрозионных мероприятий.
3. Изучить влияние контурных стокорегулирующих лесных полос в сочетании с другими противоэрозионными мероприятиями на сокращение поверхностного стока и уменьшение эрозии.
4. Разработать мероприятия по защите почв от эрозии в садах.
5. Изучить степень эродированности серых лесных почв, их агрохимические и водно-физические свойства, снегоотложение, промерзание, влажность и оттаивание почвы.
6. Разработать почвозащитные мероприятия по ускоренному восстановлению плодородия эродированных земель.
7. Изучить влияние органических и минеральных удобрений на смытых почвах на повышение плодородия почвы, увеличение урожайности сельскохозяйственных культур.
8. Дать экономическую оценку противоэрозионных мероприятий.
Научная новизна. На основе анализа природных и антропогенных факторов эрозионно-гидрологического процесса выявлены закономерности формирования стока талых вод, позволяющие управлять этим процессом, прогнозировать сток и разрабатывать новые противоэрозионные приёмы.
Даны научные основы и новые подходы к совершенствованию противоэрозионного комплекса. Изучены наиболее перспективные почвозащитные мероприятия на склонах, выявлено их влияние на сток талых вод и смыв почвы. Определены современные подходы и направления в разработке противоэрозионных мероприятий. Выявлены пути ускоренного восстановления плодородия смытых почв внесением высоких доз органических и минеральных удобрений. Выявлено влияние антропогенных факторов на природные факторы и формирование поверхностного стока и эрозии в системе контурных лесных полос в сочетании с другими элементами противоэрозионного комплекса. Дана экономическая эффективность противоэрозионных мероприятий. В результате методических, теоретических и экспериментальных исследований дана количественная оценка роли противоэрозионных приёмов лесомелиорации во взаимодействии их с другими элементами адаптивно-ландшафтной системы земледелия, что позволяет более объективно и научно обоснованно подходить к проектированию их на расчётной основе. Разработаны принципы управления эрозионно-гидрологическим процессом.
Достоверность полученных выводов и рекомендаций подтверждена многолетними экспериментальными исследованиями в области противоэрозионной агролесомелиорации с применением методов компьютерной обработки данных.
Практическая ценность работы. Теоретические, методические и прикладные исследования позволяют решать ряд важных практических задач, связанных с разработкой системы противоэрозионных мероприятий. Результаты исследований представляют научную основу проектирования противоэрозионных мероприятий на эродированных землях. Практическую ценность имеет комплексный подход защиты почв от водной эрозии. Значимость научных исследований состоит в том, что полученные материалы могут быть использованы работниками проектных организаций, лесного и сельского хозяйства и др.
Практическое значение имеют исследования по почвоулучшающей и противоэрозионной тематике на смытых почвах. Научно-производственный интерес представляют рекомендуемые новые технологии и приёмы. Внедрение почвозащитных мероприятий в сельскохозяйственном производстве дает возможность сохранить наше бесценное богатство – почву и повышать урожайность культур.
Экономическая эффективность и народнохозяйственная значимость защищаемых научных разработок подтверждается присуждением автору премии Правительства РФ в области науки и техники за 2000 год.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Построение теоретических кривых вероятности превышения поверхностного стока талых вод за 50-летний период позволило создать нормативную базу для его прогнозирования и разработки систем управления эрозионно-гидрологическим процессом.
2. Ведущими природными факторами формирования поверхностного стока талых вод, воздействуя на которые можно управлять эрозионно-гидрологическими процессами, являются глубина промерзания, влажность почвы и снегозапасы.
3. Система стокорегулирующих лесополос, севооборотов и обработки почвы обладают синергетическим эффектом за счет их взаимодействия.
4. Комбинированная конструкция стокорегулирующих лесополос с применением низкорослого кустарника обеспечивает оптимизацию снегоотложения, предотвращение почвы от глубокого промерзания, повышение водопоглощения и сокращение стока.
5. Садозащитные лесополосы, почвозащитные обработки и полосное залужение междурядий в садах способствуют предотвращению или резкому снижению смыва почвы.
6. Многолетние травы обладают высокими почвозащитными и почвоулучшающими свойствами в садах на склонах.
7. Повышенные дозы органических и минеральных удобрений обусловливают ускоренное восстановление плодородия, повышение впитывающей способности и продуктивности сильноэродированных почв.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на областном совещании специалистов сельского хозяйства Орловской области (Новосильская ЗАГЛОС, 1973 г.); на научно-техническом семинаре агролесомелиораторов "Росгипрозема" (г. Москва, ВДНХ СССР, 1973 г.); на встрече с передовиками сельхозпроизводства (г. Москва, ВДНХ, 1974 г.); на научной конференции молодых учёных во Всесоюзном научно-исследовательском институте агролесомелиорации (г. Волгоград, 1974 г.); на Всероссийском научно-методическом постоянно действующем семинаре – совещании "Научные основы повышения плодородия почвы" в Мордовском государственном университете им. Н. П. Огарёва (г. Саранск, 8-9 февраля 1978 г.); в Орловской и межобластной школах повышения квалификации сельскохозяйственных кадров (Орловская область, Орловский район, п/о Стрелецкое, 1977-1979 гг.).
Материалы исследований использовались для показа на ВДНХ СССР (г. Москва, 1976-1979 гг.) и съёмок кинофильма "Нечерноземье сегодня" Орловским филиалом Ростовской киностудии (1975 г.)
Докладывали на расширенном научно-техническом совете отдела борьбы с эрозией почв ВНИАЛМИ (1985 г.). Материалы исследований представлены в научных отчётах.
Также положительную оценку при обсуждении получили материалы на заседаниях учёного совета ВНИАЛМИ; международных и межрегиональных научно-практических конференциях: Курск (1997, 2000, 2001, 2003-2008, 2010), Москва (1997, 2007, 2010), Волгоград (1998, 2006, 2008), Белгород (2000, 2001, 2004), Орёл (2001, 2002, 2005, 2008-2010), Мценск (2003), Горно-Алтайск (2004), Минск (2005), Самара (2005), Саратов (2005), Ульяновск (2005, 2009), Иркутск (2007), Барнаул (2009) и других совещаниях, семинарах.
Реализация результатов исследований. Материалы исследования вошли в "Рекомендации по защите почв от водной эрозии на склонах в садах Орловской области” (Орёл, 1978); "Предложения по оптимальным параметрам систем противоэрозионных лесных насаждений на склонах” (Волгоград, 1980); "Методические рекомендации по защите почв от водной эрозии и рациональному использованию эродированных земель в Центральном районе Нечернозёмной зоны РСФСР" (Волгоград, 1981); "Методические рекомендации по почвозащитным мероприятиям в садах на склонах Орловской области" (Орёл, 1986); "Защита почв от эрозии на Среднерусской возвышенности" (Орёл, 1991); "Технологические схемы возделывания многолетних трав на семена" (Орёл, 1991); "Рекомендации по внедрению севооборотов при различных формах хозяйствования” (Орёл, 1996); "Технологические схемы возделывания многолетних и однолетних трав на семена": учебное пособие (Орёл, 1998); "Предложения по защите почв от водной эрозии в Центральных районах Нечерноземья" (Орёл, 1999); "Агролесомелиоративное адаптивно-ландшафтное обустройство водосборов" (Волгоград, 1999); "Рациональное использование склоновых земель" (Орёл, 2000); "Противоэрозионный оазис в южном Нечерноземье" (Орёл, 2000); "Проект внутрихозяйственного землеустройства модельных фермерских хозяйств": методические рекомендации (Волгоград, 2002); "Современные подходы к защите почв от эрозии" (Орёл, 2003) и другие. Основные положения диссертации отражены в статьях и монографиях.
Основные положения диссертационной работы вошли в заключительные научные отчёты по различным тематикам государственных планов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполняемые в ГНУ ВНИАЛМИ (номера регистрации 60826929, 71066202, 01.960.009783, 01.2.00611908).
Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 152 печатные работы общим объёмом 101 п. л., в т. ч. 98 в центральной печати и материалах международных, всесоюзных и всероссийских конференций и зональных изданиях, 11 в рецензируемых журналах по списку ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 78 глав, выводов и предложений производству, списка литературы и приложений. Работа изложена на 366 страницах, включает 52 таблицы, 10 рисунков и 48 приложений. Список использованной литературы включает 452 наименования, в том числе 14 иностранных авторов.
Диссертация написана по материалам собственных исследований. Личный вклад автора состоит в формировании целей и задач научных исследований, непосредственном участии в закладке полевых и стационарных опытов на протяжении 42 лет, в камеральной обработке полученных данных, теоретических обобщениях, формировании выводов, предложений и рекомендаций производству. Личное участие автора в получении результатов исследований составляет 90%.
Автор глубоко благодарен доктору с.-х. наук, академику РАСХН, К. Н. Кулику за поддержку и плодотворное обсуждение проблемы исследований, доктору с.-х. наук А. Т. Барабанову за большую помощь и содействие в проведении научных опытов, доктору с.-х. наук Е. А. Гаршинёву за ценные замечания и предложения, профессорам, докторам с.-х. наук, И. Г. Зыкову и В. М. Ивонину за тесное научное сотрудничество, докторам с.-х. наук А. И. Крупчатникову, В. В. Коломейченко, И. П. Здоровцеву, кандидату географических наук В. И. Панову, кандидату с.-х. наук А. В. Кулику и др. за помощь, моральную поддержку в процессе написания диссертационной работы. Всем научным сотрудникам Новосильской ЗАГЛОС выражаю искреннюю признательность, а И. Б. Вишневецкой и Н. П. Тубольцевой сердечное спасибо за трудолюбие при напечатании диссертации.
Климатические условия
Климат на юге ЦРНЗ умеренно континентальный. Он формируется под влиянием западных и северных океанических и восточных континентальных масс воздуха. Воздушные массы, проходящие с Арктики, приносят похолодание, восточные летом повышают температуру воздуха и иссушают его, а зимой значительно понижают температуру (3).
Количество солнечного тепла в разные времена года зависит от продолжительности дня и высоты солнца в полдень над горизонтом.
Абсолютный минимум температуры воздуха за многолетний период равняется 37-44С, а абсолютный максимум 36-38С. В 1940 году абсолютный минимум температуры - минус 44 градуса наблюдался в г. Мценске Орловской области (2). На территории области средняя температура июля составляет +18С, несколько выше температура на юго-востоке (здесь она дос тигает +19,5С). Средняя температура января составляет -9С, а в западных районах она может понижаться до -10,5С. Среднегодовая температура воздуха в пределах области составляет 4,5С (5).
Местный рельеф оказывает существенное влияние на распределение основных метеорологических элементов. Солнечная радиация распределяется сравнительно однородно. Годовой приход солнечной радиации составляет 89 ккал/см2. По сезонам года это тепло распределяется следующим образом: зима - 7, весна - 29, лето - 40, осень - 13 ккал/см . В целом за год радиационный баланс положительный и составляет 36 ккал/ см , при этом с марта по октябрь баланс положительный, а с ноября по февраль - отрицательный. Продолжительность светового дня возрастает с 15 часов в начале мая до 17 часов в третьей декаде июня, а к концу сентября вновь понижается до 12 часов.
Существенное влияние на состояние баланса тепла и влаги оказывает атмосферная циркуляция. Континентально умеренные воздушные массы господствуют над центрально-чернозёмными областями в течение всего года и обуславливают преимущественно антициклональный тип погоды.
Континентально тропические воздушные массы проникают в ЦЧО из районов Казахстана и Средней Азии в мало измененном виде, обеспечивая сухую, жаркую и ветреную погоду.
Морские воздушные массы атлантического происхождения, также как и арктический воздух, поступающий с северо-запада и севера, приходят на территорию Орловской области в трансформированном виде, потеряв на пути следования значительную часть основных свойств.
Для холодного времени года характерны частые выходы южных и юго-западных циклонов с Балкан или Атлантики, сопровождающиеся снегопадами, метелями, сильными ветрами, гололёдами, резкими контрастами температур до оттепелей, при которых средние суточные температуры поднимаются выше 0С. Самые продолжительные оттепели с максимальной температурой до плюс 1-4С наблюдались в 1989-90 годах. Наряду с аномально тёплыми зимами наблюдаются и очень холодные среднемесячные температуры в январе и феврале минус 15-19 (1954, 1956, 1963, 1968, 1972 гг.). Такие высокие и низкие температуры наблюдаются очень редко - один - два раза в двадцать лет. Общая продолжительность периода с положительной среднесуточной температурой воздуха равна 215-225 дням в году. Переход температуры через 0 к более высоким значениям происходит в конце третьей декады марта - первой пятидневке апреля, а к более низким - в первой декаде ноября.
Анализ данных за 1902-2001 гг. показал, что годовая сумма осадков составляет 590 мм, в отдельные годы она колеблется от 137 до 1075 мм (45, 55, 253, 254). На территории области осадки выпадают в течение 160-170 дней в году, месячное количество дней с осадками колеблется от 12-13 в тёплый период до 15-17 дней в холодный период года. В холодный период года осадки выпадают часто, но в небольшом количестве.
В тёплую часть года преобладают дожди средней интенсивности, хорошо увлажняющие почву. По средним многолетним данным, наибольшее количество осадков 195 мм наблюдается в июле. Ливневые дожди часто сопровождаются грозами, а иногда с градом. В среднем за тёплый период бывает 25-37 дней с грозой, один - два дня с градом. За тёплый период года (апрель - октябрь) в среднем выпадает 410, за холодный (ноябрь - март) - 180 мм осадков. В засушливые годы, соответственно, 230-322 и 32-121 мм, во влажные годы - 341-720 и 20-80 мм.
Снежный покров появляется в первой - начале второй декад ноября. Устойчивое его образование происходит в первой декаде декабря, а сходит снег в период 5-10 апреля. Самая ранняя и самая поздняя даты образования устойчивого снежного покрова отмечены 29 октября и 29 января, а схода - 27 февраля и 10 мая. Продолжительность залегания устойчивого снежного покрова составляет 105-125 дней. Высота снежного покрова к концу зимы достигает 18-33 см. Промерзание почвы по средним многолетним данным начинается с ноября и по состоянию на I декабря составляет 16-29 см. За декабрь глубина промерзания увеличивается до 40-50 см. За зиму максимальное промерзание 70-80 см достигает в конце февраля или в начале марта. По годам глубина промерзания почвы колеблется от 11-63 до 120-142 см, а в 1969 году достигла 2 м.
Ветровой режим характеризуется преобладанием северо-западных, западных и северо-восточных ветров в тёплый период и юго-западных, южных и юго-восточных ветров в холодный период года. В холодный период (ноябрь - март) среднемесячная скорость ветра составляет 4,3-6,2 м/сек. На открытых и возвышенных местах она заметно больше. Летом средняя скорость ветра уменьшается до 3,0-4,5 м/сек, но днем скорость ветра в 2,0-2,5 раза превышает скорости ночью. В холодный период суточный ход скорости ветра выражен слабо. Штормовые ветры со скоростью до 25 м/с на территории области наблюдаются ежегодно. Ветры со скоростью 15 м/с и более часто имеют продолжительность до 12-18 часов подряд. Ветер со скоростью 20 м/с и более (при порывах) чаще всего продолжается непрерывно от 5 до 12 часов, причем наибольшую продолжительность имеют ветры юго-восточного направления.
Основными метеорологическими факторами, определяющими условия роста и развития сельскохозяйственных культур, являются свет, тепло и влага. Показателем теплообеспеченности вегетационного периода может служить период с суммой средних суточных температур выше 10С. Этот период взят потому, что при средней суточной температуре выше 10С активно вегети-руют большинство сельскохозяйственных растений.
Показателем влагообеспеченности вегетационного периода может служить гидротермический коэффициент - ГТК. ГТК равен отношению суммы осадков к их испаряемости, выраженной суммой средних суточных температур воздуха за период выше 10С и уменьшенной в 10 раз.
Сумма средних суточных температур выше 10С колеблется в пределах 2150-2300, а длительность этого периода в среднем составляет 135-140 дней. Период с температурой выше 15С, обеспечивающий условия произрастания более теплолюбивых культур, продолжается 85-95 дней. Продолжительность безморозного периода в этом районе составляет 140-145 дней с колебаниями в отдельные годы от 100 до 175 дней, что, соответственно, определяется сроками прекращения весной и наступления осенью заморозков. Прекращение заморозков в среднем приходится на 5-8 мая. Иногда значительные похолодания с понижением температуры до отрицательных значений наблюдаются и в первой декаде июня. Такие поздние заморозки наблюдаются редко - вероятность их составляет около 10%. Первые осенние заморозки наблюдаются в среднем 28-30 сентября. Но в редкие годы они могут быть в начале сентября, в третьей декаде октября.
Устойчивый снежный покров образуется в среднем в конце ноября. Высота снежного покрова своего максимума достигает в конце февраля или в начале марта. Разрушается устойчивый снежный покров в начале первой декады апреля с отклонениями в отдельные годы в пределах второй декады марта и третьей декады апреля.
Влагообеспеченность растений в значительной степени характеризуется количеством выпадающих осадков. Сумма осадков за период активной вегетации растений составляет 265-295 мм. ГТК равен 1,2-1,3.
Закономерности процессов смыва почв
Водная эрозия почв является результатом сложного взаимодействия природных факторов и хозяйственной деятельности человека. К природным факторам относятся: рельеф местности, геологическое строение, особенности почвенного покрова, климатические и гидрометеорологические условия, растительность. В научной литературе приводится много материалов о величине смыва почв со склонов при стоке талых и ливневых вод. Эти величины сильно варьируют в разные годы от долей до десятков и сотен тонн с гектара и зависят от особенностей микрорельефа, агрофона полей, интенсивности стока и других факторов.
Полученные данные по методу замера объёма водороин не согласуются с показателями стока. Например, при стоке талых вод 2-3 мм величина смыва с зяби 3-26 м3/га. Известно, средняя мутность сточной воды на склонах до 4-5 составляет 7-10 кг/м3, а максимальная - 40-50 кг/м3. Во время ливня на чистых парах она равняется 100-150 кг/м3.
По материалам СВ. Будник (46), во время дождя изменяется характер увлажнения, уплотнения и раздробленность почвенной структуры. На исследуемые величины влияют интенсивность осадков как максимальная, так и мгновенная, важна как общая продолжительность осадков, так и промежуток времени от начала дождя до интересующего нас момента времени. Положение максимума интенсивности дождя также оказывает влияние на формирование стока и смыва со склонов.
Нашими исследованиями и ВНИАЛМИ на серых лесных, чернозёмах и каштановых почвах установлено, что при учёте смыва на стоковых площадках по твёрдому стоку и методом замера объёма водороин в последнем случае его показатели завышаются в 3-8 и более раз. Подобное завышение выявилось и в опытах В. В. Жилко (107) на оподзоленных почвах Белоруссии. Так, если при среднем стоке (за 1967-1971 гг.) 20,7 мм вынос почвы с зяби, определённый по мутности воды (на стоковых площадках), составил 1,05 т/га, то по замерам объёма водороин при среднем стоке (за 1972-1973 гг.) 21,7 мм он равнялся 26,8 т/га, т. е. в 25 раз больше.
Данные по среднемноголетнему смыву почвы приведены в табл. 9.
На Новосильской опытной станции по довоенным данным, средний смыв на серых лесных почвах составлял около 5-6 т/га. По данным Г. П. Сурмача, полученным на ключевых участках Орловской, Воронежской и Самарской областей, среднегодовой смыв за исторический период выражается нижеследующими показателями. На серых лесных почвах Новосильского ключевого участка 5,87 м3/га (6,75 т/га), на оподзоленных и выщелочных чернозёмах 5,16 м3/га (5,78 т/га). Среднегодовой вынос почвы с пахотных склонов Острогожского ключевого участка составил 5,9 м3/га. Величину среднегодового смыва в целом для Орловской и Воронежской обл. следует уменьшить, соответственно, в 2,5-3,0 раза, имея в виду, что ключевые участки расположены в наиболее расчленённых и сильноэродированных приречных районах. В этом случае осреднённый на всю площадь (без гидрографической сети) среднегодовой смыв в указанных областях выразится следующими величинами: на серых лесных почвах Орловской области - 2,35 м3/га (2,70 т/га), на чернозёмах -2,06 м3/га (2,31 т/га); на почвах Воронежской области 1,97 м3/га - (2,21 т/га).
На четырёх ключевых участках Самарской области общей площадью землепользования 25578 га осреднённый на всю площадь участков среднегодовой смыв (за 180-220 лет) колебался в пределах 2,3-2,6 м3/га (2,58-2,91 т/га).
А. Г. Рожков (299), исходя из классификации смытости почв С. С. Соболева и фактического распределения почв разной степени смытости, определил среднегодовую величину смыва для ЦГО на склонах более 1 за исторический период 3,9 т/га. Если учесть, что указанный смыв относится к склонам круче 1 (а не ко всей площади пашни), а также то, что при всех этих расчётах несколько преуменьшен сток распашки склонов (А. Г. Рожков счи тает, что вначале распахивались приводораздельные земли, однако ввиду их занятости лесами в первую очередь должна была осваиваться степная целина склонов), то станет ясно, что рассчитанная А. Г. Рожковым средняя величина смыва близка к вышеприведённым данным.
Следует отметить, что на более крутых склонах (3-4 и больше) исторический смыв значительно больше среднего, на них находятся средне- и силь-носмытые почвы. Смытые почвы по степени разрушенности гумусовых горизонтов подразделяются на четыре или пять категорий: слабо-средне-сильно-очень (весьма) сильно - полностью смытые. Определение диагностического признака - степень смытости - можно разделить на три крупных группы.
Первая группа. Градация смыва выделяется по признаку - степени смытости гумусовых горизонтов. Другие признаки (цвет почв и прочее) являются вспомогательными. Это классификации А. С. Козменко (145), С. С. Соболева (329, 330), Г. П. Сурмача (340, 343) и другие. Эти классификации позволяют определить степень смытости почв и намечать контуры почвенно-эрозионной карты непосредственно в полевых условиях, более детальную характеристику агрохимических свойств эродированных почв - в камеральных условиях после получения данных анализа.
Вторая группа. Смытость почв определяется и почвенная карта составляется в камеральных условиях по уменьшению содержания в почве гумуса. Такой принцип классификации смытости предложил С. В. Наумов (236) и М. Н. Заславский (112).
Третья группа. В основу выделения градаций смытости положены два основных признака: смытость почвы и уменьшение содержания гумуса. К этой группе относится классификация С.В.Наумова (236, 237).
Г. П. Сурмач считает, что на Среднерусской возвышенности выпуклая форма склонов характеризуется постепенным направлением крутизны по мере продвижения книзу, поэтому в том же направлении возрастает интенсивность смыва и уменьшается историческая смытость почв, то есть смытость за период сельскохозяйственного использования земель. При указанном типе водосбора почвенный покров по степени смытости распределяется в такой последовательности: на приводораздельных участках и пологих склонах (до 1,5-2) залегают несмытые и слабосмытые почвы, далее по склону следуют различные по ширине пояса слабосмытые, среднесмытые, сильносмытые и местами весьма сильносмытые почвы (359).
Слабосмытыми почвами считают такие, которые потеряли не более 25% гумусового горизонта (А + В]), среднесмытыми - от 25 до 50%, сильно-смытыми от 50 до 75%о и весьма сильносмытыми от 75 до 100% этого горизонта. Несмытой считается почва с уменьшением гумусового горизонта не более 3-4 см (343).
Крутизна склонов является основным фактором развития смыва. На Новосильской опытной станции А. Д. Ивановским и Я. В. Корневым (167) получена следующая теоретическая зависимость, характеризующая влияние крутизны и длины склонов на смыв почвы:
M = AI-75L,-5X1-5,
W = AI-75L-5X1-5,
где - М - расход смытого материала (кг/с), W - смыв почвы на единицу площади (кг), I - уклон поверхности склона (тангенс угла наклона), L - расстояние от водораздела (длина склона, м), X - интенсивность осадков или водоотдача из снега (мм/ мин), А - коэффициент, учитывающий другие факторы эрозии.
Из уравнения следует, что твёрдый расход и смыв почвы пропорциональны уклону в степени 0,75.
Формула А. В. Цинга (411) имеет следующий вид:
M = AIMLL6.
Согласно американским данным (411, 163), удвоение крутизны склона увеличивает смыв в 2,5 раза.
Из этого краткого обзора видно, что существуют расхождения в оценке влияния уклона на смыв почвы. Мы объясняем это главным образом тем, что влияние уклона в реальных условиях изменяется в широких пределах в зависимости от податливости незащищённой почвы смыву и степени её защищённости. Чем лучше противостоит почва смыву (например, в силу хорошей оструктуренности и связанности частей, а также вследствие замерзания и так далее) или чем лучше она защищена растительным и мёртвым покровом, а также уплотнена, тем значение уклона меньше. И наоборот, в условиях обработки, когда почва находится в рыхлом состоянии и её частицы способны легко отделяться и взмучиваться, значения уклона повышается до предела.
При интенсивных ливнях влияние уклона на смыв проявляется сильнее, чем при слабых. Тоже можно сказать о показателях стока: с его уменьшением влияние стока на смыв сокращается и, наоборот, с увлажнением возрастает.
На длинных склонах, пологих в приводораздельной части и крутых в присетевой, интенсивный вынос почвы происходит благодаря увеличению массы воды при резком нарастании её мутности. Влияние уклона в таких условиях намного возрастает в связи с увеличением длины склона.
Изменения снегоотложения, промерзания и влажности почвы в системе контурных лесополос
При изучении особенностей и закономерностей снегораспределения надо знать местные условия, рельеф местности, экспозицию склонов, направление ветров и др. Наблюдения показали, что наибольшее количество снега откладывается на ветротеневых склонах северной и западной экспозиции. Особенно это заметно в многоснежные зимы. Особенности снегоотложения неразрывно связаны с водообеспеченностью. Запасы воды в снеге на ветровом склоне западной экспозиции в несколько раз больше, чем на склоне восточной экспозиции.
Глубина промерзания почвы неразрывно связана с мощностью снежного покрова и от наличия защитных лесных полос. При интенсивном промерзании почвы талая вода не впитывается почвой, происходит поверхностный сток, смыв и размыв почвы. Характер снегоотложения под воздействием лесных полос обуславливает степень увлажнения почвы на склоне. В течение зимне-весеннего периода влажность почвы зависит от сложившихся гидрометеорологических условий и может изменяться. По нашим наблюдениям эти изменения неодинаковые. Чаще всего изменяется верхний слой почвы. Во влажные годы верхний слой почвы становится более увлажнённым, а в засушливые - менее.
В 1991-1995 годах снегомерную съемку проводили на стоковых площадках по профилям, проложенным через всю систему контурных лесных полос и без них. Многолетние наблюдения показывают, что на снегоотло-жение оказывают влияние агрофон, вид угодья, элементы рельефа и другие факторы. В холодный период происходило перераспределение снега во время ветров и метелей. Направление ветров менялось в широких пределах - от западного и юго-западного до северо-восточного. Во время ветров контурные лесные полосы способствовали накоплению и сохранению снега по сравнению с открытым полем. Дополнительный снег распределялся вдоль лесных полос на расстоянии 5-13 м от верхней полосы и 8-15 м от нижней. Больше всего снега отлагалось в нижних шлейфах, а в контурных лесных полосах продуваемой конструкции происходило некоторое выдувание снега. В межшлейфовом пространстве снег откладывался более или менее равномерно. Средняя высота снега в лесной полосе составила 20 см, в верхнем шлейфе - 31 см, снегозапасы - 89,2 мм, в нижнем - 37 см, запасы воды в снеге - 108,9 мм и в межполосном пространстве - 30 см и 88,8 мм (табл. 25).
В системе контурных стокорегулирующих лесных полос на склонах различных экспозиций характер снегоотложения несколько менялся. Высота снежного покрова в лесных полосах меньше, чем на прилегающих участках. Максимальные снегозапасы накапливаются в нижних шлейфах (табл. 25 и 26).
Сведения о высоте снежного покрова и его снегозапасах на различных агрофонах стоковых площадок приведены в табл. 25 и 26. Из таблиц видно, что по годам исследований имеются различия в высоте снега, так и по его запасам. В системе контурных лесных полос высота снега постепенно возрастает от верхней части стоковых площадок к нижним. Это связано с характером ветрового режима, обуславливающего перераспределение снега к нижней части склона.
По годам наблюдений различия в высоте снега большие. Так, в малоснежную зиму 1993 года на стоковых площадках высота снега была незначительная - 10-18 см, а в 1994 году достигла - 47-60 см, а в среднем за 5 лет -20-37 см.
Перед весенним снеготаянием высота снежного покрова на вариантах без лесных полос в среднем составила 26-28 см, а в системе контурных лесных полос с межполосным пространством 100 и 200 м, соответственно, 30-36 и 29-39 см. На плоскорезной обработке (контроль) высота снега была 26 см, а на таких же агрофонах с лесными полосами произошло увеличение снежного покрова на 4-8 см. На участке с полосным размещением (отвальная вспашка + стерня + отвальная вспашка + стерня) со стокорегулирующими лесными полосами высота снега составила 35 см, а на контроле - 28 см. Снегоотложе-ние в межполосном пространстве на зяблевой вспашке и плоскорезной обработке превышало контроль.
На всех агрофонах с контурными лесными полосами средние показатели высоты снега были на 15-38% больше, чем на открытом поле без лесных полос. За годы наблюдений на стоковых площадках запасы воды в снеге варьировали - на контроле от 17,5 до 129,6 мм, в системе контурных лесных полос - от 18,9 до 166,8 мм, а общие с учетом ледяной корки и осадков за период снеготаяния, соответственно 39,5-144,5 мм и 55,3-182,6 мм. В 1991 году общие запасы воды равнялись 53,6-113,3 мм, в 1992 году 81,3-132,3 мм, в 1993 году 39,5-73,1 мм, в 1994 году 135,6-165,5 мм, в 1995 году 115,2-182,6 мм, а средние 90,6-128,9 мм (табл. 26).
Кроме этого, в КСП «Россия» Мценского района Орловской области изучали снегоотложение на полях с 3-рядными лесными полосами из березы повислой (продуваемой конструкции), расположенными по контуру через 250-300 м и на открытом поле без насаждений.
В 1991 году на снегомерном профиле (контроль) средняя высота снега оказалась равной 13 см, запасы снеговой воды - 44,2 мм, а на полях в системе контурных лесополос эти показатели несколько выше - 16 см и 49,6 мм. Увеличение снегоотложения наблюдалось в 1994 году. На участках с системой лесных полос высота снежного покрова в среднем равнялась 47 см (116,0 мм), в открытой местности произошло уменьшение высоты снега на 3 см, снегозапасов на 7,4 мм.
За годы наблюдений средняя высота снега в лесных полосах равнялась 28 см, в верхнем шлейфе - 39 см, нижнем - 43 см, в межполосном пространстве - 31 см (табл. 25).
Наблюдается общая тенденция увеличения снегоотложения на полях с контурными лесными полосами. Здесь высота снега и снегозапасы превышали контроль в 1,2-1,3 раза. Максимальные снегозапасы наблюдались возле лесных полос в нижней шлейфовой зоне - 87,8 мм (табл. 25).
Промерзание почвы. Глубина промерзания почвы зависит с одной стороны от толщины снежного покрова, а с другой - от суммы отрицательных температур зимнего периода. Если снег выпадает на незамерзшую или слабо-замерзшую почву и больше не стаивает, если выпавшие твердые осадки постепенно увеличивают толщину снежного покрова, то утепляющее действие последнего оказывает положительное влияние на водопроницаемость почвы, уменьшение стока, сокращение смыва почвы.
В период исследований (1991-1995 гг.) ввиду неодинаковых погодных условий снегоотложение и промерзание почвы было различное, о чем свидетельствуют данные табл. 27.
В 1991 году на открытом поле глубина промерзания почвы на стерне составила 77 см, на отвальной обработке - 84 см и на обработке плоскорезом - 66 см. В системе контурных лесных полос на отвальной вспашке и плоскорезной обработке промерзание почвы одинаковое - 53-54 см, на агрофоне многолетних трав - 44 см, а в лесной полосе из дуба - 10 см.
В 1992 году промерзание почвы неглубокое - 5-30 см, а в отдельных местах, в нижнем шлейфе и в канавах почва талая, что способствовало полному поглощению весеннего стока.
Эффективность ускоренного окультуривания смытых почв
Высокая эффективность удобрений на эродированных серых лесных почвах подтверждается и в наших полевых опытах (табл. 52). Из этой таблицы вытекает, что применение удобрений на эродированных почвах обеспечило увеличение урожая ячменя даже в засушливый 1981 г. От действия минеральных удобрений наибольшая прибавка урожая 8,6 ц/га была получена на варианте N90P60K45 , а урожайность на контроле - 18,5 ц/га. При повышенной дозе минеральных удобрений (N120P80K.60) урожайность ячменя несколько снизилась и составила 25,4 ц/га, прибавка - 6,9 ц/га. Совместное внесение навоза и минеральных удобрений способствовало увеличению урожая на 4 ц/га. Наивысшая урожайность (29,9 ц/га) была получена при внесении 150 т/га навоза.
1982 г. был благоприятный для роста и развития растений. На всех вариантах опыта прибавка урожая составила от 8,8 до 19,1 ц/га. Наибольшая урожайность овса 50 ц/га была получена при совместном внесении навоза и минеральных удобрений (50 т/га навоза + ИбоРадКзо)- Такая высокая урожайность является следствием улучшенного питательного режима. На варианте с повышенной дозой минеральных удобрений (N120P80K60) во второй половине лета после обильных дождей местами наблюдалось полегание растений. С увеличением норм органических удобрений возрастала и урожайность. Существенная прибавка урожая 18,9 ц/га была получена на удобрительном фоне с навозом (150 т/га) при урожайности на контроле - 29,8 ц/га. Полученные данные по урожайности свидетельствуют о том, что в благоприятный год эффективность минеральных и органических удобрений на эродированных почвах высокая.
В 1983 относительно засушливом году урожайность зерновых была ниже по сравнению с прошлым годом. Наивысшая урожайность ячменя 41,1 ц/га была на агрофоне совместного внесения органических и минеральных удобрений.
От действия навоза прибавки урожая были ниже и зависели от внесённой дозы удобрений. Большая прибавка урожая 10,7 ц/га была на варианте 150 т/га навоза (3 год действия).
1984 г. был в основном влажным. Высокая урожайность вико-овса (32,1 ц/га) наблюдалась на варианте совместного внесения навоза и минеральных удобрений, а при повышенных дозах навоза (150 т/га) чуть ниже - 29,8 ц/га. В первом случае прибавка урожая составила 58,9%, а во втором - 41,2%.
Весомые прибавки получены за счёт улучшения пищевого режима при достаточном количестве влагообеспеченности, а эти культуры требовательны к влаге. Всё это не могло не сказаться на повышении урожая вико-овса.
В проводимых исследованиях выявлена высокая эффективность удобрений на эродированных серых лесных почвах (рис. 10). Прибавки урожая возрастали по мере увеличения доз NPK и навоза и составили в среднем за четыре года 3,9-13,9 ц/га (17,9-61,7%). Наибольшая прибавка урожая зерновых культур получена на варианте совместного внесения органических и минеральных удобрений (50 т/га навоза N oPsoIW) От действия больших доз навоза (100,150 т/га) прибавки урожая на четвёртый год составили, соответственно, 6,5 и 8,7 ц/га.
Ежегодное применение полного NPK в дозах НзоРдоКзо и N90P60K45 способствует значительному повышению урожая зерновых культур. От внесения N60P40K30 сРеДняя урожайность зерновых по годам колебалась от 24,5 до 41,3 ц/га, прибавки - 4,3-10,4 ц/га, а от дозы N90P60K45 урожайность была в пределах от 27,1 до 48,2 ц/га, прибавки составили 6,9-17,3 ц/га.
Кроме учёта урожая по годам, проведён структурный анализ зерновых культур (прил. 47). Из приведённых материалов видно, что на удобренных агрофонах (50 т/га навоза + N60P40K30) показатели длины стебля, колоса, количество зёрен в колосе, масса 1000 зёрен немного выше по сравнению с контролем.
